SSP1220 3線式RTD測定

Ⅰ、 3線式PT100温度測定原理

3線式接続法の中心的な目的は、リード線の抵抗値が測定精度に与える影響を排除することです。PT100の抵抗値は非常に小さく(100Ω @ 0℃)、接続線の抵抗値(R6、R7、R15と表記される10分の数Ω～数Ω、3線式RTDテストの回路図を参照)によって無視できない誤差が生じる可能性があります。3線式システムは、巧妙な回路設計によってこの問題を解決します。3線式RTDの3本のリード線はすべて通常同じ長さなので、3本のリード線の抵抗が等しいと仮定すると（RL1 = RL2 = RL3、つまり回路図ではR6=R7=R15）、SSP1220の内部デュアル電流源（IDAC）は、これらのリード線抵抗の影響を打ち消すために使用されます。

測定原理を詳しく解説：

1. SSP1220の内部で2つの適合するプログラマブル電流源（IDAC1とIDAC2）を使用し、同じ電流を出力する：電流源の選択は1mA未満であることが推奨され、このテストの電流源の選択値は500uAである。
2. PT100の3つのリード抵抗は等しいと仮定する：R6 = R7 = R15 = Rl
3. SSP1220は差動入力ペア（AIN0、AIN1）を通してPT100の電圧を測定します： V_イン = V_AIN1 - V_AIN0

どこでV_AIN1 = I_IDAC1 x （R_L1+R_{ピーティーヒャク})+ (I_IDAC1 + I_{アイダックツー}) x R_L3, V_AIN0 = I_{アイダックツー} x R_L2 + (I_IDAC1 + I_{アイダックツー}) x R_L3

以来：私は_IDAC1 = I_{アイダックツー} = I_{アイダック} AND R_L1 = R_L2 = R_L3 = R_L

に代入する：VIN = [I_{アイダック} x （R_L + R_{ピーティーヒャク})+ 2I_{アイダック} x R_L]- IIDAC x RL + 2IIDAC x RL] = I_{アイダック} x R_L + I_{アイダック} x R_{ピーティーヒャク} + 2I_{アイダック} x R_L - 2I_{アイダック} x R_L = I_{アイダック} x R_{ピーティーヒャク}

巧みな回路構成により、差動入力電圧VINからリード抵抗の影響を完全に排除し、PT100抵抗の電圧降下のみを含ませている。

4. SSP1220の基準電圧Vrefは、高精度の外部基準抵抗Rref (R5)を介して2つのIDAC電流をマージすることにより生成される。
5. 比率測定では、最終 ADC 出力コードは IDAC 電流の絶対値、精度、ドリフトに関係なく (Rpt100) / (Rref) に比例し、同時にリード抵抗 Rl1 と Rl2 の影響も打ち消します：

24ビットのSSP1220の場合、出力される数値コードは次のようになる：

コード = (2²³ - 1) x (V_イン/V_{リファレンス}) = (2²³ - 1) x [R_{ピーティーヒャク}/(2 x R_{リファレンス}) ]

ADC コードによる PT100 抵抗値の逆数：

R_{ピーティーヒャク} = [コード/(2)²³-1)] x 2 x R_{リファレンス}

最後に、PT100の抵抗-温度特性に従って（通常、カレンダ-ヴァン・デューセン式またはテーブル・ルックアップ法を使用）、Rpt100を温度値に変換します：T = f (Rpt100)。PT100の場合、0℃、R0 = 100.00Ωで、抵抗温度係数は約α≈0.00385Ω/Ω/℃となります。

ハードウェア回路設計

データシートの典型的なアプリケーションによると、典型的な3線式PT100の接続回路は以下の通りです：

1. 回路の接続方法

• PT100の接続：PT100（3線式）は回路図のように接続します。
• 電圧リファレンス生成：IDAC1出力はAIN2(内部ソフトウェア構成が必要)に接続され、IDAC2出力はAIN3(内部ソフトウェア構成が必要)に接続され、2つのIDAC電流はノードで合流し、外部基準抵抗Rref(R5)を介して一緒に流れる。REF のもう一方の端はアナログ・グラウンド AVSS に接続される。SSP1220の正基準入力REFP0はRREF(R5)の上端(IDACマージポイント)に接続される。SSP1220の負基準入力REFN0はAVSSに接続する。したがって、基準電圧VREF=(IIDAC1 + IIDAC2) * RREFとなる。
• 信号測定：SSP1220のAIN1は差動正入力AINPとして構成され、SSP1220のAIN0は差動負入力AINNとして構成されるため、測定される電圧はAIN1とAIN0の電位差となる。
• フィルター回路：アンチエイリアシングとノイズ抑制のため、アナログ入力（AIN0、AIN1、AIN2）と基準入力（REFP0）の両方にRCローパスフィルターを追加する必要がある。入力フィルター：R1、R2、C1、C6、C5で構成。基準フィルター：R3、R4、C2、C3、C4で構成。スケール測定の精度を維持するため、基準フィルターのカットオフ周波数は入力フィルターと一致させる必要がある。

Ⅲ、デバイスの選択とパラメータ計算

仮想的な設計目標は以下の通りである：PT100タイプ：3線式、温度測定範囲：-200℃～+850℃、電源電圧AVDD：3.3V（AVSS＝0V）、DAC電流：500μA（各チャンネル）、データレート：20SPS（最適なノイズ性能のため）。

1. 基準抵抗（Rref）の選択と計算

Rrefはシステム全体の精度の中核をなす。機能です：ADC の基準電圧 Vref を生成し、その精度と安定性が測定結果を直接決定します。

抵抗の計算：

ADC のレンジを最大にし、PGA のコモンモード電圧要件を満たすために、Vref は通常電源電圧の約半分に設定される。この設計では、AVDD = 3.3V、ターゲット VREF は約 1.65V である。

I_{アイダック} = I_IDAC1 + I_IDAC2 = 500uA + 500uA = 1mA

R_{リファレンス} = V_{リファレンス} /(I_IDAC1 + I_{アイダックツー}) = 1.65V/1mA = 1.65kΩ

公称値1.65kΩの抵抗を選択することができる。見つからなければ、1.62kΩ または 1.69kΩ も許容できる近似値である。

選考条件

精度：少なくとも±0.1%、高精度用途には±0.05%以上を推奨。

温度ブリーティング：非常に低くなければならず、±5ppm/℃または±10ppm/℃の精密フィルム抵抗を推奨。

長期安定性：高い

通常の1%、100ppm/℃のチップ抵抗は絶対に使用しないでください。

2. IDAC電流およびPGAゲイン・オプション

IDAC電流：500μAを選択。この値は、消費電力、自己発熱効果、および信号振幅のバランスがうまく取れています。電流が小さすぎると、信号が弱くノイズの影響を受けやすくなります。電流が大きすぎると、PT100が自己発熱したり、IDAC準拠電圧を超えたりする可能性があります。

PGAゲインの選択：PT100は電圧が小さい（例えば500μA×100Ω＝50mV）が、比率測定（基準電圧もIDACのもの）を使用するため、飽和を避けるために増幅する必要がなく、ゲイン選択は1Xとなる。

3. フィルター回路の部品選択

フィルター抵抗（R1、R2、R3、R4）：通常1kΩが選択される。この値は、効果的にフィルタリングするのに十分大きく、（入力バイアス電流による）入力での大きなオフセット電圧を避けるのに十分小さい。また、電流制限保護としても機能する。

差動フィルタ・コンデンサ（C1、C2）：抵抗とともにカットオフ周波数を設定する。例えば、データレート20SPSの場合、カットオフ周波数は数十Hzに設定できる。 fc = 1 / (2π * (R1+R2) * C1)。R1+R2=2kΩでfc≈16Hzと予想される場合、C1≈1 / (2* 2000 * 16) ≈ 4.7μF。実際のアプリケーションでは、より広いノイズ除去帯域幅を得るために100nF（0.1μF）がよく使われる。タイプC0G（NPO）セラミック・コンデンサは、誘電率が安定し、電圧係数が低く、微小音響効果が低いため推奨される。

コモンモードフィルター付きコンデンサ（C5、C6、C3、C4）：差動コンデンサのミスマッチが過度のコモンモード・ノイズを差動ノイズに変換しないようにするため。

Ⅳ、ソフトウェア設定

1. マスター・ロジック：

float SSP1x20_read_temperature(void)

{

uint32_t ADC_data；

uint32_t ADC_temp1；

//SSP1x20_read_register(SSP1x20_REG0, 4, &Read_REGTab[0])；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN0_AIN1 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_ON；

Write_REGTab[1]=SSP1x20_DR_20SPS|SSP1x20_MODE_NORMAL|SSP1x20_SC|SSP1x20_TS_ON| SSP1x20_BCS_OFF;

Write_REGTab[2]=SSP1x20_VREF_2048|SSP1x20_REJECT_OFF|SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_1000uA;

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

SSP1x20_WriteRegister(SSP1x20_REG0, 4, &Write_REGTab[0])；

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START)；

spi_adc_cs_low()；

while (ADC_DRDY_GAIN == 1);//SSP1x20_DRDYM_DRDY

2. プログラムの主な構成と説明

• レジスタ0の設定：MUXとゲイン

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN0_AIN1 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_ON；

• コンフィギュレーション・レジスタ1：サンプル・レートとモード

Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_OFF | SSP1x20_BCS_OFF；

• コンフィギュレーション・レジスタ2：IDACによる基準電圧

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_2048 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_500uA；

(4) レジスタ3：IDACルート・チャネルをDRDYで構成する

3. 3線式PT100コア：

現在の進路

• IDAC1 → ain2 → PT100 → ain1
• IDAC2 → AIN3 → AIN1（リターン）
• 2つの電流が等しい → R_LEAD2R_LEAD2の電圧降下を相殺する

uint32_t raw_u24 = SSP1x20_read_data_drdy()；

SSP1220出力 24ビットデータしかし、MCUは通常32ビットで読み取る（SPIは一度に4バイトを読み取る）。

もし (raw < 0) raw = -raw；

PT100 電圧 は常に正 (AIN0からAIN1に電流が流れる）。

raw < 0なら AIN0とAIN1のソフトウェア・コンフィギュレーションは逆になる。

printf("Raw: %ld, R=%.3f Ω, Temp=%.2f °Cr}n",raw, R_pt100, temperature)；

プリント 元のコード値から抵抗値を計算し、最終的な温度を算出する。 デバッグしやすいように

Rawがマイナスの場合→構成が逆になる

R＞1400Ωの場合→IDACまたはRrefの設定が正しくないことを示す

Temp = -999 → R値が妥当な範囲外であることを示す。

Ⅴ、測定手順と結果

1. 両端のPT100電圧測定プログラム：

void SSP1x20_ADC_MeasurePt100(void)

{

float V_ref = 2.048; // 内部基準電圧 2.048V

//多点単一電圧測定；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_OFF；

Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_OFF | SSP1x20_BCS_OFF；

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_REF0 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_500uA；

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

SSP1x20_WriteRegister(SSP1x20_REG0, 4, &Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[0]=%x\rn", Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[1]=%x\rn", Write_REGTab[1])；

printf("Write_REGTab[2]=%x\rn", Write_REGTab[2])；

printf("Write_REGTab[3]=%x\rn", Write_REGTab[3])；

一方

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); // 連続測定が有効な場合、このコマンドは 1 回のみ送信されます。

HAL_Delay(100)；

spi_adc_cs_low()；

}

SSP1220テスト結果

2. SSP1220内部温度測定

内部温度テスト機能

float SSP1x20_read_temperature(void)

{

uint32_t ADC_data；

uint32_t ADC_temp1；

//SSP1x20_read_register(SSP1x20_REG0, 4, &Read_REGTab[0])；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN0_AIN1 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_ON；

Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_ON | SSP1x20_BCS_OFF；

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_2048 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_1000uA；

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

SSP1x20_WriteRegister(SSP1x20_REG0, 4, &Write_REGTab[0])；

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START)；

spi_adc_cs_low()；

while (ADC_DRDY_GAIN == 1);//SSP1x20_DRDYM_DRDY

内部温度テストの構成詳細：

 Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_ON | SSP1x20_BCS_OFF；

• SSP1x20_TS_ON： 内部温度センサーを有効にする (クリティカル)の場合、このコンフィギュレーションが最も優先されます。
• SSP1x20_SC：セルフキャリブレーションを行う（推奨）
• 20SPS:低速・高精度、温度測定に最適

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_2048 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_1000uA；

• SSP1x20_VREF_2048：使用する 内部2.048V基準電圧 (外部REF0ではない）
  • 内部温度センサーは 絶対電圧出力, a 固定基準電圧 を使用して温度を変換しなければならない。
• IDAC_1000uA:IDACは有効だが、 TS_ONモードのIDACは内部温度測定に影響しない (無視できる）。

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

• IDACピンとDRDYを構成する。 内部温度の測定に影響はない (レジはそのままで）。
• 2 変換を開始し、DRDYを待つ

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); SPI_ADC_CS_LOW()；同時に (adc_ddy_gain == 1); // 等待 drdy 变低

• STARTコマンドを送信し、連続トランジションを開始する。
• 待つ DRDYピンがLowになるデータの準備ができたことを示す

室内室温の測定結果を下図に示す：

3.外部温度測定（方法1、簡易係数0.385計算）

外部温度テスト関連コード：

uint32_t ADC_gain_value = 0; // 読み出しデータ

uint32_t ADC_value = 0; // データ値を測定する

float tmpPt100=0；

float RTD=0；

void SSP1x20_ADC_Measure(void)

{

printf("￤多点単一電圧測定￤")；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_OFF; SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 インターフェース AIN1 AIN0 は実際の回路図に基づいて選択してください。

Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_OFF | SSP1x20_BCS_OFF；

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_REF0 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_500uA；

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

SSP1x20_WriteRegister(SSP1x20_REG0, 4, &Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[0]=%x\rn", Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[1]=%x\rn", Write_REGTab[1])；

printf("Write_REGTab[2]=%x\rn", Write_REGTab[2])；

printf("Write_REGTab[3]=%x\rn", Write_REGTab[3])；

一方

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); 連続測定が有効な場合、このコマンドは 1 回のみ送信されます。

HAL_Delay(100)；

spi_adc_cs_low()；

ADC_gain_value =0；

ADC_gain_value = SPI_ADC_ReadByte()；

ADC_gain_value = (ADC_gain_value << 8) | SPI_ADC_ReadByte()；

ADC_gain_value = (ADC_gain_value << 8) | SPI_ADC_ReadByte()；

spi_adc_cs_high()；

RTD = 1650*( (float)ADC_gain_value /(0x3fffff));//基準抵抗1650オーム

tmpPt100 = (RTD-100)/0.38；

__NOP()；

printf("R=%.3f Ω, Temp=%.2f °Crrn",RTD, tmpPt100 )；

}

氷水混合物の温度を3線式RTDで測定した結果を下図に示す：

外部温度測定（方法2、カレンダー・ヴァン・デューセンの式で計算）はより正確である。

マスターコード

//高精度RTD→温度

static float rtd_to_temperature_iec60751(float rtd)

{

if (rtd < 0.0f) return -999.0f; // 不正な値

float t = (rtd - R0_PT100) / 0.385f; // 初期推測値

if (rtd <= R0_PT100) {。

//T < = 0℃：完全な式を使用する

for (int i = 0; i < 10; i++) {.

float rt_calc = R0_PT100 * (1.0f + A_COEFF*t + B_COEFF*t*t + C_COEFF*(t - 100.0f)*t*t*t)；

float dr_dt = R0_PT100 * (A_COEFF + 2.0f*B_COEFF*t + C_COEFF*(4.0f*t*t - 300.0f*t*t))；

float error = rt_calc - rtd；

t -= error / dr_dt；

if (fabsf(error) < 0.001f) break；

}

} else {

// T >= 0°C:: 簡略化した式を使用する。

for (int i = 0; i < 10; i++) {.

float rt_calc = R0_PT100 * (1.0f + A_COEFF*t + B_COEFF*t*t)；

float dr_dt = R0_PT100 * (A_COEFF + 2.0f*B_COEFF*t)；

float error = rt_calc - rtd；

t -= error / dr_dt；

if (fabsf(error) < 0.001f) break；

}

}

tを返す；

}

/**

* アナログチャンネルADC測定（外部温度測定）

* @param None

* なし

*/

uint32_t ADC_gain_value = 0; // 読み出しデータ

uint32_t ADC_value = 0; // データ値を測定する

float tmpPt100=0；

float RTD=0；

void SSP1x20_ADC_Measure(void)

{

printf("￤多点単一電圧測定￤")；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_OFF；

Write_REGTab[1] = SSP1x20_DR_20SPS | SSP1x20_MODE_NORMAL | SSP1x20_SC | SSP1x20_TS_OFF | SSP1x20_BCS_OFF；

Write_REGTab[2] = SSP1x20_VREF_REF0 | SSP1x20_REJECT_OFF | SSP1x20_PSW_OFF | SSP1x20_IDAC_500uA；

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

// Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN3 | SSP1x20_IDAC2_AIN2 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

SSP1x20_WriteRegister(SSP1x20_REG0, 4, &Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[0]=%x\rn", Write_REGTab[0])；

printf("Write_REGTab[1]=%x\rn", Write_REGTab[1])；

printf("Write_REGTab[2]=%x\rn", Write_REGTab[2])；

printf("Write_REGTab[3]=%x\rn", Write_REGTab[3])；

一方

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); 連続測定が有効な場合、このコマンドは 1 回のみ送信されます。

HAL_Delay(100)；

spi_adc_cs_low()；

ADC_gain_value =0；

ADC_gain_value = SPI_ADC_ReadByte()；

ADC_gain_value = (ADC_gain_value << 8) | SPI_ADC_ReadByte()；

ADC_gain_value = (ADC_gain_value << 8) | SPI_ADC_ReadByte()；

spi_adc_cs_high()；

#define CALIBRATED_FULL_SCALE 4210300.0f // キャリブレーションデータによる

RTD = 1650.0f * ((float)ADC_gain_value / CALIBRATED_FULL_SCALE)；

tmpPt100 = rtd_to_temperature_iec60751(RTD)；

__NOP()；

printf("R=%.3f Ω, Temp=%.2f °Crrn",RTD, tmpPt100 )；

}

}

テスト結果を図に示す：

温水温度テスト：

氷水混合テスト：

4.外部温度試験構成の詳細：

----------------------------------

キー・パーツ・コードの計算式：

RTD = 1650*( (float)ADC_gain_value /(0x3fffff)); //基準抵抗1650オーム tmpPt100 = (RTD-100)/0.385；

基準抵抗1650オーム、

1行目のコード RTD = 1650 * (ADC / 0x3FFFFF)

元のADC値をPT100の抵抗値に変換するように設計（比率測定）

• VIN = I × RPT100（PT100を横切る電圧）
• VREF = I × RREF（基準抵抗にかかる電圧）

両端に同じ定電流源I adcを使用する。

だから     Vin/Vref = Rpt100/Rref

ADCの出力は、この比率をデジタル化したものである。

ADC_Code = Vin/Vref x 2²⁴

だから押し戻された

Rpt100​= Rref x ADC_Code /2²⁴

---------------------------------------

2行目のコード：tmpPt100 = (RTD - 100) / 0.385；

直線近似式で温度を見積もる

0℃の場合、Rpt100 = 100 Ω

温度が1℃上昇するごとに、抵抗値は約0.385Ω増加する。

だから

T ≈ (R-100)/0.385

Ⅵ、よくある問題のデバッグガイド

Ⅶ、 SSP1220 コア・レジスタ構成表

Ⅷ、カレンダー・ヴァン・デューセン方程式係数表

完全なコードは、当社のテクニカルサポートにお問い合わせください。連絡先18014203727