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单片K型热电偶放大与数字转换器MAX6675

时间:2018-01-17 理工毕业论文 我要投稿
摘要:MAX6675是Maxim公司推出的具有冷端补偿的单片K型热电偶放大器与数字转换器。文中介绍器件的特点、工作原理及接口时序,并给出与单片机的接口电路及温度读取、转换程序。

热电偶作为一种主要的测温元件,具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时,却存在着以下几方面的问题。①非线性:热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系,因此在应用时必须进行线性化处理。②冷补偿:热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值,而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的,故需进行冷端补偿。③数字化输出:与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口,而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此,若将热电偶应用于嵌入式系统时,须进行复杂的信号放大、A/D转换、查表线性线、温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中,即采用单芯片来完成信号放大、冷端补偿、线性化及数字化输出功能,则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。

Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。

1 性能特点

MAX6675的主要特性如下:

①简单的SPI串行口温度值输出;

②0℃~ 1024℃的测温范围;

③12位0.25℃的分辨率;

④片内冷端补偿;

⑤高阻抗差动输入;

⑥热电偶断线检测;

⑦单一 5V的电源电压;

⑧低功耗特性;

⑨工作温度范围-20℃~ 85℃;

⑩2000V的ESD信号。

该器件采用8引脚SO帖片封装。引脚排列如图1所示,引脚功能如表1所列。

表1 MAX6675引脚功能

引 脚名 称

功 能

1GND接地端2T-K型热电偶负极3T K型热电偶正极4VCC正电源端5SCK串行时钟输入6CS片选端,CS为低时、启动串行接口7SO串行数据输出8N.C.空引脚

2 工作原理

MAX6675的内部结构如图2所示。该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器,内部具有信号调节放大器、12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制。

图2 MAX6675内部结构框图

2.1 温度变换

MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器,T 和T-输入端连接到低噪声放大器A1,以保证检测输入的高精度,同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大,再经过A2电压跟随器缓冲后,被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前,它需要对热电偶的冷端温度进行补偿,冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶,电压变化率为41μV/℃,电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)×(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中,Vout为热电偶输出电压(mV),tR是测量点温度;tAMB是周围温度。

2.2 冷端补偿

热电偶的功能是检测热、冷两端温度的差值,热电偶热节点温度可在0℃~ 1023.75℃范围变化。冷端即安装MAX6675的电路板周围温度,比温度在-20℃~ 85℃范围内变化。当冷端温度波动时,MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。

图3 MAX6675 SO端输出数据的格式

MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压,为了产生实际热电偶温度测量值,MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换,以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时,MAX6675可获得最佳的测量精度。因此在实际测温应用时,应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件,因为这样会造成冷端误差。

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