在±0.05℃的精度世界里，温度从未被如此精确地捕捉。

在工业自动化、医疗设备和科研领域，温度测量的精度和稳定性直接关系到产品质量与实验结果。传统测温方案常面临精度不足、抗干扰能力差、校准复杂等痛点。

针对这些挑战，旷岳半导体（KEYSEMI）的KY1220高精度24位ADC芯片与铂电阻温度传感器（PT100/PT1000）的组合方案，正在重新定义温度测量精度的边界。

01 铂电阻温度传感器的核心优势

铂电阻温度传感器（RTD）作为温度测量领域的黄金标准，其核心价值在于卓越的线性度、宽温度范围和出色的长期稳定性。PT100（0℃时100Ω）和PT1000（0℃时1000Ω）是其中最常用的两种类型。

PT1000由于具有更高的基础电阻值，在相同温度变化下产生更大的电阻变化量，使系统能够更灵敏地捕捉微小温度波动。实验数据表明，在同等电路条件下，PT1000的信号幅度是PT100的10倍，为高精度测量提供了基础。

铂电阻的电阻-温度关系遵循国际标准曲线，可用公式表达为：

Rt = R₀(1 + αt + βt² + γt³)

其中R₀为0℃时的标称电阻（100Ω或1000Ω），α、β、γ为铂电阻的温度系数。这种高度可预测的数学关系为精确温度计算提供了理论基础。

02 KY1220芯片的技术突破

作为专为传感器设计的高精度ADC，KY1220集成了多项技术创新，使其成为温度测量应用的理想选择：

• 24位高分辨率ADC：可分辨微小至纳伏级别的电压变化，充分捕捉PT100/PT1000的微弱信号
• 双匹配可编程电流源（IDAC1和IDAC2）：输出电流范围从10μA到1.5mA可配置，完美支持三线制RTD的导线电阻补偿
• 低噪声可编程增益放大器（PGA）：提供1至128倍信号放大能力，适应PT100（通常需要8倍增益）和PT1000（通常1倍增益）的不同信号幅度
• 内置高精度参考电压：消除外部参考源带来的误差源

比例测量法是KY1220实现高精度的核心技术。该方法使传感器信号（RTD两端电压）和ADC参考电压来自同一个激励源，温度漂移或噪声产生的误差因此被抵消。

系统精度最终仅取决于参考电阻（RREF）的精度和稳定性，大大简化了系统设计。

03 硬件设计要点解析

电源管理设计

KY1220的工作电压范围为2.7V至5.5V，推荐采用3.3V低噪声线性稳压电源。电源设计需考虑：

• 选择超低噪声LDO如LP5907MFX-3.3（输出噪声仅为8.7μVRMS）
• 电源输入端布置π型滤波器（1μF陶瓷电容+10Ω电阻+1μF陶瓷电容）
• 每个电源引脚配置0.1μF去耦电容，尽可能靠近芯片

三线制连接与补偿

工业现场普遍采用三线制PT100/PT1000，KY1220提供优雅的解决方案：

• IDAC1电流源连接传感器线1
• IDAC2电流源连接传感器线2（与IDAC1同值）
• 两电流在参考电阻RREF上合并产生参考电压

当引线电阻匹配且IDAC1与IDAC2精确匹配时，引线电阻造成的测量误差被自动抵消，这是三线制测量的关键技术突破。

参考电阻选择

参考电阻RREF是系统精度的决定性因素，需满足：

• 选用0.01%精度或更高的精密电阻
• 温度系数低于10ppm/℃
• 优选品牌如松下ERA3A系列或Vishay裸箔电阻
• 功率规格需满足IDAC电流平方×电阻值的功率耗散要求

04 软件算法与温度计算

配置寄存器优化

通过配置四个寄存器，可灵活设置ADC工作模式：

void KY1220_Init(void) {

  uint8_t config_0 = 0x60; // PT1000采集1倍增益

  // uint8_t config_0 = 0x66; // PT100采集8倍增益

  uint8_t config_1 = 0x04;  // 数据速率20SPS

  uint8_t config_2 = 0x55;  // 参考电压内部缓冲启用

  uint8_t config_3 = 0x72;  // IDAC输出100μA

  KY1220WriteRegister(0x00, 1, &config_0);

  KY1220WriteRegister(0x01, 1, &config_1);

  KY1220WriteRegister(0x02, 1, &config_2);

  KY1220WriteRegister(0x03, 1, &config_3);}

关键参数：增益设置（PGA）和数据速率需根据PT型号调整。PT1000信号幅度大，通常用1倍增益；PT100信号小，需8倍或更高增益。

温度转换算法

PT电阻-温度转换需分段处理：

double Calculate_Temperature(float resistance) {

  if (resistance >= 1000) { // t >= 0℃

    // 二次方程求解

    double A = 3.9083e-3;

    double B = -5.775e-7;

    double C = (resistance/1000 - 1);

    double discriminant = A*A - 4*B*C;

    return (-A + sqrt(discriminant)) / (2*B);

  } else { // t < 0℃

    // 牛顿迭代法求解三次方程

    double C = -4.183e-12;

    double t = -10; // 初始值

    for (int i = 0; i < 100; i++) {

      double Rt_calc = 1000 * (1 + A*t + B*t*t + C*(t-100)*t*t*t);

      double error = resistance - Rt_calc;

      if (fabs(error) < 0.001) break;

      double derivative = 1000 * (A + 2*B*t + 3*C*(t-100)*t*t + C*t*t*t);

      t += error / derivative;

    }

    return t;

  }}

分段处理：0℃以上使用二次方程直接求解，0℃以下采用牛顿迭代法处理更复杂的三次方程关系。

校准技术

高精度系统采用两种创新校准技术：

• 切换采集方向技术：正反两次测量自动消除偏移误差
• 内部偏移和增益自校准：利用KY1220内置校准寄存器

这些技术使系统能够达到免现场校准仍保持±0.05℃精度的优异表现。

05 实测性能与行业应用

实测性能数据

在恒温水槽中与一级标准水银温度计对比测试，系统表现如下：

• 分辨率：0.001℃（24位ADC充分发挥）
• 绝对精度：≤±0.05℃（-50℃~150℃范围内）
• 线性度：≤±0.02%
• 长期稳定性：24小时漂移小于0.01℃
• 噪声水平：15分钟内电阻测量波动小于0.01Ω（十万分之一）

温度响应优化

针对部分用户反馈的温度响应缓慢问题，可进行以下优化：

• 提高采样率：从20SPS提升至90SPS（需平衡噪声增加）
• 调整滤波器设置：减少数字滤波器的过度平滑效果
• 优化热接触：确保传感器与被测介质良好接触
• 软件算法优化：采用滑动窗口均值滤波替代传统移动平均

行业应用场景

该方案已在多个高要求领域成功应用：

• 医疗设备：血液透析机、恒温培养箱的温度控制
• 工业自动化：塑料挤出机、食品灭菌设备的温度监测
• 实验室仪器：高精度恒温水槽、量热仪
• 能源系统：电池温度监控、太阳能集热系统
• 气象观测：高精度大气温度测量

某制药企业采用此方案后，其灭菌工艺的温度控制精度提升至±0.1℃，产品合格率提高了2.3个百分点，年节省成本超过百万元。

06 PT100与PT1000的选择策略

在实际应用中，PT100和PT1000各有优势场景：

选型建议：对于长导线传输的工业现场，推荐PT1000；对于空间受限的小型设备，PT100的紧凑型探头可能更合适。

07 超越传统方案的创新设计

相比传统的分压法或电桥方案，基于KY1220的比例法测量实现了多项突破：

• 无需精密恒流源：利用芯片内置IDAC电流源
• 导线电阻自动补偿：三线制下实现误差自消除
• 免外部放大器：内置PGA提供足够信号放大
• 降低校准要求：比例测量原理减少误差源
• 单芯片解决方案：简化电路设计，提高可靠性

电源系统优化：对于多外设系统，推荐采用高效率、低噪声的电源芯片如TPS7A47或TPS62360，它们可提供500mA以上输出电流，输入电压范围4-28V，满足工业现场复杂电源环境的需求。

结语

基于KY1220的PT100/PT1000温度采集方案代表了当前工业温度测量技术的先进水平。该方案结合了高精度ADC的性能优势和铂电阻传感器的稳定性，通过创新的比例测量方法和优化的软件算法，实现了±0.05℃的测量精度和0.001℃的分辨率。

随着工业4.0和精密制造的发展，对温度测量精度的要求不断提高。这一方案已在医疗灭菌、锂电池生产、半导体制造等高精尖领域得到验证，为提升产品质量、降低能耗、确保工艺安全提供了可靠的技术保障。