SSP1220 三线热电阻测量仪

Ⅰ、 三线 PT100 温度测量原理

三线连接法的核心目的是消除引线电阻对测量精度的影响。PT100 的电阻值非常小（100Ω @ 0℃），而连接导线的电阻（十分之几欧姆到几欧姆，写成 R6、R7、R15，见三线热电阻测试原理图）会带来不可忽略的误差。三线制系统通过巧妙的电路设计解决了这一问题，三线热电阻的所有三根导线通常长度相同，因此假设三根导线的电阻相等（RL1 = RL2 = RL3，即原理图中的 R6=R7=R15），SSP1220 的内部双电流源 (IDAC) 用于抵消这些导线电阻的影响。

详细解释测量原理：

1. 在 SSP1220 内部使用两个匹配的可编程电流源（IDAC1 和 IDAC2）并输出相同的电流： ，建议电流源选择小于 1mA，本测试的电流源选择值为 500uA。
2. 假定 PT100 的三个引线电阻相等：R6 = R7 = R15 = Rl
3. SSP1220 通过一对差分输入（AIN0、AIN1）测量 PT100 上的电压： V_IN = V_AIN1 - V_AIN0

而V_AIN1 = I_IDAC1 x (R_L1+R_PT100)+ (I_IDAC1 + I_IDAC2) x R_L3, V_AIN0 = I_IDAC2 x R_L2 + (I_IDAC1 + I_IDAC2) x R_L3

因为：我_IDAC1 = I_IDAC2 = I_IDAC 和 R_L1 = R_L2 = R_L3 = R_L

代入VIN = [I_IDAC x (R_L + R_PT100)+ 2I_IDAC x R_L]- [IIDAC x RL + 2IIDAC x RL] = I_IDAC x R_L + I_IDAC x R_PT100 + 2I_IDAC x R_L - 2I_IDAC x R_L = I_IDAC x R_PT100

通过巧妙的电路配置，差分输入电压 VIN 完全消除了引线电阻的影响，只包括 PT100 电阻上的压降。

4. SSP1220 的基准电压 Vref 是通过高精度外部基准电阻器 Rref (R5) 合并两个 IDAC 电流产生的，即 Vref = (Iidac1 + Iidac2) * R
5. 在进行比率测量时，无论 IDAC 电流的绝对值、精度和漂移如何，最终 ADC 输出代码都与 (Rpt100) / (Rref) 成比例，同时还能抵消引线电阻 Rl1 和 Rl2 的影响：

对于 24 位 SSP1220，输出数字代码为

代码 = (2²³ - 1) x (V_IN/V_REF) = (2²³ - 1) x [R_PT100/(2 x R_REF) ]

通过 ADC 代码反转 PT100 电阻值：

R_PT100 = [代码/（2²³-1)] x 2 x R_REF

最后，根据 PT100 的电阻-温度特性（通常使用 Callendar-Van Dusen 方程或查表法），将 Rpt100 转换为温度值：T = f (Rpt100)。对于 PT100，在 0℃、R0 = 100.00Ω 时，电阻温度系数约为α≈ 0.00385 Ω/Ω/℃

Ⅱ、硬件电路设计

根据数据表中的典型应用，典型的三线 PT100 连接电路如下：

1. 电路连接说明

• PT100 连接：PT100 （三线制）的连接如示意图所示。
• 电压基准生成：IDAC1 输出端连接至 AIN2（需要内部软件配置），IDAC2 输出端连接至 AIN3（需要内部软件配置），两个 IDAC 电流在节点处汇合，一起流经外部基准电阻 Rref(R5)。REF 的另一端连接到模拟地 AVSS。SSP1220 的正基准输入 REFP0 连接到 RREF (R5) 的上端（IDAC 合并点）。SSP1220 的负基准输入端 REFN0 连接至 AVSS。因此，基准电压 VREF= (IIDAC1 + IIDAC2) * RREF。
• 信号测量：SSP1220 的 AIN1 配置为差分正输入 AINP，SSP1220 的 AIN0 配置为差分负输入 AINN，因此测量电压为 AIN1 和 AIN0 之间的电位差。
• 滤波电路：需要在模拟输入（AIN0、AIN1、AIN2）和基准输入（REFP0）上添加 RC 低通滤波器，以实现抗锯齿和噪声抑制。输入滤波器：由 R1、R2、C1 和 C6、C5 组成。参考滤波器：由 R3、R4、C2 和 C3、C4 组成。为保持刻度测量的准确性，参考滤波器的截止频率应与输入滤波器相匹配。

Ⅲ、设备选择和参数计算

假设设计目标如下：PT100 类型：三线制；温度测量范围：-200°C ~ +850°C；电源电压 AVDD：3.3V（AVSS = 0V）；DAC 电流：500μA（每通道）；数据速率：20 SPS（以获得最佳噪声性能）。

1. 参考电阻 (Rref) 的选择和计算

Rref 是整个系统准确性的核心。其功能是产生 ADC 的基准电压 V ref，其精度和稳定性直接决定测量结果。

电阻计算：

为了最大限度地提高 ADC 的量程并满足 PGA 的共模电压要求，通常将 Vref 设置为电源电压的一半左右。在本设计中，AVDD = 3.3V，目标 VREF 约为 1.65V。

I_IDAC = I_IDAC1 + I_IDAC2 = 500uA + 500uA = 1mA

R_REF = V_REF /(I_IDAC1 + I_IDAC2) = 1.65V/1mA = 1.65kΩ

可以选择标称值为 1.65 kΩ 的电阻器。如果找不到，1.62kΩ 或 1.69kΩ 也是可以接受的近似值。

遴选要求：

精度：至少 ±0.1%，高精度应用建议 ±0.05% 或更高。

温度漂移：必须非常低，建议使用 ±5 ppm/°C 或 ±10 ppm/°C 的精密薄膜电阻。

长期稳定性：高。

切勿使用普通的 1%、100ppm/°C 片式电阻器。

2. IDAC 电流和 PGA 增益选项

IDAC 电流：选择 500μA。该值在功耗、自热效应和信号幅度之间取得了良好的平衡。如果电流太小，信号会很弱，容易受噪声影响；电流太大可能会导致 PT100 自热或超过 IDAC 兼容电压。

PGA 增益选择：PT100 的电压较小（例如 500μA × 100Ω = 50mV），但使用比率测量（参考电压也来自 IDAC），因此无需放大以避免饱和，增益选择为 1X。

3. 滤波电路元件选择

滤波电阻器（R1、R2、R3、R4）：通常选择 1kΩ。该值足够大以有效滤波，足够小以避免输入端出现明显的偏移电压（由于输入偏置电流）。它们还起到限流保护作用。

差分滤波电容器（C1、C2）：与电阻一起设置截止频率。fc = 1 / (2π * (R1+R2) * C1)。 如果 R1+R2=2kΩ 并期望 fc ≈ 16Hz，则 C1 ≈ 1 / (2* 2000 * 16) ≈ 4.7μF。在实际应用中，通常使用 100nF (0.1μF) 来获得更宽的噪声抑制带宽。类型：推荐使用 C0G（NPO）陶瓷电容器，因为它具有稳定的介电常数、低电压系数和低微声效应。

共模滤波电容器（C5、C6、C3、C4）：通常选择比差分电容小一个数量级的电容，如 10nF，以确保差分电容的不匹配不会导致过多共模噪声转换成差分噪声。

Ⅳ、软件配置

1. 主逻辑

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. 程序的主要配置和说明

• 配置寄存器 0：多路复用器和增益

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN0_AIN1 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_ON；

• 配置寄存器 1：采样率和模式

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

• 配置寄存器 2：带 IDAC 的基准电压

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

(4) 配置寄存器 3：带 DRDY 的 IDAC 路由通道

3. 三线 PT100 磁芯：

当前路径：

• IDAC1 → AIN2 → PT100 → AIN1
• IDAC2 → AIN3 → AIN1（返回）
• 两个电流相等 → 抵消 R_LEAD2R_LEAD2 上的压降

uint32_t raw_u24 = SSP1x20_read_data_drdy()；

SSP1220 输出 24 位数据但 MCU 通常以 32 位读取（SPI 一次读取 4 个字节）。

如果 (raw < 0) raw = -raw；

PT100 电压 始终为正 (电流从 AIN0 流向 AIN1）。

如果 raw < 0，则 AIN0 和 AIN1 软件配置相反。

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

打印 计算电阻值和最终温度 便于调试

如果 Raw 为负值→ 配置则相反

如果 R > 1400Ω → 表示 IDAC 或 Rref 设置错误

如果温度 = -999 → 表示 R 值超出合理范围

Ⅴ、测量程序和结果

1. 两端的 PT100 电压测量程序：

void SSP1x20_ADC_MeasurePt100(void)

{

float V_ref = 2.048; // 内部基准电压 2.048V

//printf("\rrn Multi-point single voltage measurement\r\n")；

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\r\n", Write_REGTab[0])；

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

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

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

当 (1)

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); // 启用连续测量时，该命令只发送一次

HAL_Delay(100)；

spi_adc_cs_low()；

}

SSP1220 测试结果

2. SSP1220 内部温度测量

内部温度测试功能

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

内部温度测试配置详情：

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

• SSP1x20_TS_ON： 启用内部温度传感器 (重要），该配置具有最高优先级
• SSP1x20_SC： 执行自校准（推荐）
• 20SPS:低速、高精度，适用于温度测量

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

• SSP1x20_VREF_2048: 使用 内置 2.048V 基准电压 (非外部 REF0！）。
  • 因为内部温度传感器 绝对电压输出, a 固定基准电压 必须用来转换温度。
• IDAC_1000uA:虽然启用了 IDAC、 处于 TS_ON 模式的 IDAC 不影响内部温度测量 (可忽略不计）。

Write_REGTab[3] = SSP1x20_IDAC1_AIN2 | SSP1x20_IDAC2_AIN3 | SSP1x20_DRDYM_DRDY；

• 配置 IDAC 引脚和 DRDY，但 对内部温度测量没有影响 (只需保持寄存器完好无损）。
• 2 启动转换并等待 DRDY

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); SPI_ADC_CS_LOW()；虽然 (adc_drdy_gain == 1); // 等待 drdy 变低

• 发送 START（开始）命令启动连续转换
• 等待 将 DRDY 引脚置低表示数据已准备就绪

室内室温的测量如下图所示：

3.外部温度测量（方法 1，简化系数 0.385 计算）

外部温度测试相关代码：

uint32_t ADC_gain_value = 0; // 读出数据

uint32_t ADC_value = 0; // 测量数据值

浮点数 tmpPt100=0；

float RTD=0；

void SSP1x20_ADC_Measure(void)

{

printf("\rr\n Multi-point single voltage measurement （多点单电压测量）")；

Write_REGTab[0] = SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 | SSP1x20_GAIN_1 | SSP1x20_PGA_BYPASS_OFF; SSP1x20_MUX_AIN1_AIN0 接口 AIN1 AIN0 应根据实际电路图进行选择

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\r\n", Write_REGTab[0])；

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

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

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

当 (1)

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); 启用连续测量时，该命令只发送一次

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));//Reference 电阻 1650 欧姆

tmpPt100 = (RTD-100)/0.38；

__NOP()；

printf("R=%.3f Ω, Temp=%.2f °C\r\n",RTD, tmpPt100 )；

}

三线热电阻测量冰水混合物温度的结果如下图所示：

外部温度测量（方法二，通过卡伦达-范杜森方程计算）更为精确

主代码

//高精度 RTD -> 温度

静态浮子 rtd_to_温度_iec60751(浮子 rtd)

{

if (rtd < 0.0f) return -999.0f; // 非法值

float t = (rtd - R0_PT100) / 0.385f; // initial guess

如果 (rtd <= R0_PT100) {

//T < = 0°C：使用完整方程

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*t - 300.0f*t*t))；

float error = rt_calc - rtd；

t -= 误差 / dr_dt；

if (fabsf(error) < 0.001f) break；

}

否则 {

// T >= 0°C:: 使用简化方程

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 -= 误差 / dr_dt；

if (fabsf(error) < 0.001f) break；

}

}

返回 t；

}

/**

* 简单模拟通道 ADC 测量（外部温度测量）

* 参数 无

* @retval 无

*/

uint32_t ADC_gain_value = 0; // 读出数据

uint32_t ADC_value = 0; // 测量数据值

浮点数 tmpPt100=0；

float RTD=0；

void SSP1x20_ADC_Measure(void)

{

printf("\rr\n Multi-point single voltage measurement （多点单电压测量）")；

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\r\n", Write_REGTab[0])；

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

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

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

当 (1)

{

SSP1x20_SendCommand(SSP1x20_CMD_START); 启用连续测量时，该命令只发送一次

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 // 校准数据

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

tmpPt100 = rtd_to_temperature_iec60751(RTD)；

__NOP()；

printf("R=%.3f Ω, Temp=%.2f °C\r\n",RTD, tmpPt100 )；

}

}

测试结果如图所示：

热水温度测试：

冰水混合物测试：

4.外部温度测试配置详情：

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

关键零件代码公式计算：

RTD = 1650*( (float)ADC_gain_value /(0x3fffff)); //参考电阻 1650 欧姆 tmpPt100 = (RTD-100)/0.385；

参考电阻 1650 欧姆、

第一行代码 RTD = 1650 * (ADC / 0x3FFFFF)

旨在将 ADC 原始值转换为 PT100 的电阻值（比率测量）

• VIN = I × RPT100（PT100 两端的电压）
• VREF = I × RREF（参考电阻两端的电压）

两端使用相同的恒流源 I adc

那么     Vin/Vref = Rpt100/Rref

ADC 的输出是这一比率的数字化结果

ADC_Code = Vin/Vref x 2²⁴

因此被推回

Rpt100​= Rref x ADC_Code /2²⁴

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

第二行代码： tmpPt100 = (RTD - 100) / 0.385；

用线性近似公式估算温度

0°C 时，Rpt100 = 100 Ω

温度每升高 1°C，电阻增加约 0.385 Ω。

那么

T ≈ (R-100)/0.385

Ⅵ、常见问题调试指南

Ⅶ、 SSP1220 核心寄存器配置表

Ⅷ、卡伦达-范杜森方程系数表

如需完整代码，请联系我们的技术支持。联系方式：1801420372718014203727