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單片K型熱電偶放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675
摘要：MAX6675是Maxim公司推出的具有冷端補(bǔ)償?shù)膯纹琄型熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。文中介紹器件的特點(diǎn)、工作原理及接口時(shí)序，并給出與單片機(jī)的接口電路及溫度讀取、轉(zhuǎn)換程序。熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。但是將熱電偶應(yīng)用在基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，卻存在著以下幾方面的問(wèn)題。①非線性：熱電偶輸出熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用時(shí)必須進(jìn)行線性化處理。②冷補(bǔ)償：熱電偶輸出的熱電勢(shì)為冷端保持為0℃時(shí)與測(cè)量端的電勢(shì)差值，而在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需進(jìn)行冷端補(bǔ)償。
③數(shù)字化輸出：與嵌入式系統(tǒng)接口必然要采用數(shù)字化輸出及數(shù)字化接口，而作為模擬小信號(hào)測(cè)溫元件的熱電偶顯然法直接滿足這個(gè)要求。因此，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、查表線性線、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)。如果能將上述的功能集成到一個(gè)集成電路芯片中，即采用單芯片來(lái)完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化輸出功能，則將大大簡(jiǎn)化熱電偶在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
Maxim公司新近推出的MAX6675即是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
1 性能特點(diǎn)
MAX6675的主要特性如下：
①簡(jiǎn)單的SPI串行口溫度值輸出；
②0℃～ 1024℃的測(cè)溫范圍；
③12位0.25℃的分辨率；
④片內(nèi)冷端補(bǔ)償；
⑤高阻抗差動(dòng)輸入；
⑥熱電偶斷線檢測(cè)；
⑦單一 5V的電源電壓；
⑧低功耗特性；
⑨工作溫度范圍-20℃～ 85℃；
⑩2000V的ESD信號(hào)。
該器件采用8引腳SO帖片封裝。引腳排列如圖1所示，引腳功能如表1所列。
表1 MAX6675引腳功能
引 腳名 稱
功 能
1GND接地端2T-K型熱電偶負(fù)極3T K型熱電偶正極4VCC正電源端5SCK串行時(shí)鐘輸入6CS片選端，CS為低時(shí)、啟動(dòng)串行接口7SO串行數(shù)據(jù)輸出8N.C.空引腳2 工作原理
MAX6675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該器件是一復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個(gè)SPI兼容接口和1個(gè)相關(guān)的邏輯控制。
圖2 MAX6675內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
2.1 溫度變換
MAX6675內(nèi)部具有將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為與ADC輸入通道兼容電壓的信號(hào)調(diào)節(jié)放大器，T 和T-輸入端連接到低噪聲放大器A1，以保證檢測(cè)輸入的高精度，同時(shí)使熱電偶連接導(dǎo)線與干擾源隔離。熱電偶輸出的熱電勢(shì)經(jīng)低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過(guò)A2電壓跟隨器緩沖后，被送至ADC的輸入端。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相等價(jià)的溫度值之前，它需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，冷端溫度即是MAX6675周圍溫度與0℃實(shí)際參考值之間的差值。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為41μV/℃，電壓可由線性公式Vout=(41μV/℃)×(tR-tAMB)來(lái)近似熱電偶的特性。上式中，Vout為熱電偶輸出電壓（mV），tR是測(cè)量點(diǎn)溫度；tAMB是周圍溫度。
2.2 冷端補(bǔ)償
熱電偶的功能是檢測(cè)熱、冷兩端溫度的差值，熱電偶熱節(jié)點(diǎn)溫度可在0℃～ 1023.75℃范圍變化。冷端即安裝MAX6675的電路板周圍溫度，比溫度在-20℃～ 85℃范圍內(nèi)變化。當(dāng)冷端溫度波動(dòng)時(shí)，MAX6675仍能精確檢測(cè)熱端的溫度變化。
圖3 MAX6675 SO端輸出數(shù)據(jù)的格式
MAX6675是通過(guò)冷端補(bǔ)償檢測(cè)和校正周圍溫度變化的。該器件可將周圍溫度通過(guò)內(nèi)部的溫度檢測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為溫度補(bǔ)償電壓，為了產(chǎn)生實(shí)際熱電偶溫度測(cè)量值，MAX6675從熱電偶的輸出和檢測(cè)二極管的輸出測(cè)量電壓。該器件內(nèi)部電路將二極管電壓和熱電偶電壓送到ADC中轉(zhuǎn)換，以計(jì)算熱電偶的熱端溫度。當(dāng)熱電偶的冷端與芯片溫度相等時(shí)，MAX6675可獲得最佳的測(cè)量精度。因此在實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量避免在MAX6675附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@樣會(huì)造成冷端誤差。
2.3 熱補(bǔ)償
在測(cè)溫應(yīng)用中，芯片自熱將降低MAX6675溫度測(cè)量精度，誤大小依賴于MAX6675封裝的熱傳導(dǎo)性、安裝技術(shù)和通風(fēng)效果。為降低芯片自熱引起的測(cè)量誤差，可在布線時(shí)使用大面積接地技術(shù)提高M(jìn)AX6675溫度測(cè)量精度。
2.4 噪聲補(bǔ)償
MAX6675的測(cè)量精度對(duì)電源耦合噪聲較敏感。為降低電源噪聲影響，可在MAX6675的電源引腳附近接入1只0.1μF陶瓷旁路電容。
2.5 測(cè)量精度的提高
熱電偶系統(tǒng)的測(cè)
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