MAX31855：冷端补偿热电偶数字转换器的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，温度测量是一个常见且关键的任务。热电偶作为一种广泛应用的温度传感器，其输出信号需要经过精确的处理才能得到准确的温度值。今天，我们就来深入了解一款功能强大的冷端补偿热电偶数字转换器——MAX31855。

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一、产品概述与特性

1. 功能概述

MAX31855能够对K、J、N、T、S、R或E型热电偶的信号进行冷端补偿并数字化处理。它以14位带符号的SPI兼容只读格式输出数据，分辨率可达0.25°C，测量范围广，最高可达+1800°C，最低至 -270°C，对于K型热电偶，在 -200°C至 +700°C的温度范围内，热电偶精度可达 ±2°C。

2. 产品优势

• 集成化设计：集成了冷端补偿功能，减少了设计时间，降低了系统成本。
• 高分辨率：具备14位分辨率，能够精确到0.25°C，满足高精度测量需求。
• 多类型适配：有适用于多种常见热电偶类型的版本，通用性强。
• 故障检测：可以检测热电偶对地或电源的短路情况，以及热电偶开路情况，提高了系统的可靠性。
• 易于接口：采用简单的SPI兼容接口（只读），能与大多数微控制器轻松连接。

二、电气与热特性

1. 绝对最大额定值

在使用MAX31855时，需要注意其绝对最大额定值。电源电压范围为 -0.3V至 +4.0V，其他引脚电压范围为 -0.3V至 (VCC + 0.3V)。连续功率耗散在TA = +70°C时，SO封装为470.6mW，且温度每升高1°C，功率耗散需降低5.9mW。ESD保护（所有引脚，人体模型）为 ±2kV。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

2. 推荐工作条件

推荐的电源电压为3.0V至3.6V，典型值为3.3V。输入逻辑0的电压范围为 -0.3V至 +0.8V，输入逻辑1的电压范围为2.1V至 (Vcc + 0.3V)。工作温度范围为 -40°C至 +125°C。

3. DC电气特性

电源电流典型值为1500μA，热电偶输入偏置电流在 -40°C至 +125°C的温度范围内，跨热电偶输入100mV时为 -100nA至 +100nA。电源抑制为 -0.3°C/V，上电复位电压阈值为2V至2.5V，上电复位电压迟滞为0.2V。输出高电压为Vcc - 0.4V，输出低电压为0.4V。

4. 热特性

不同类型的热电偶在不同温度范围内有相应的温度增益和偏移误差。例如，MAX31855K在 -200°C至 +700°C的温度范围内，误差为 ±2°C。热电偶温度数据分辨率为0.25°C，内部冷端温度误差在 -20°C至 +85°C时为 ±2°C，在 -40°C至 +125°C时为 ±3°C。冷端温度数据分辨率为0.0625°C，温度转换时间为70ms至100ms，热电偶转换上电时间为200ms。

三、引脚与接口

1. 引脚配置

MAX31855采用8引脚SO封装，各引脚功能如下：

• GND：接地引脚。
• T- 和 T+：热电偶输入引脚。需要注意的是，T- 引脚不要直接连接到GND。
• VCC：电源电压引脚。
• SCK：串行时钟输入引脚。
• CS：低电平有效芯片选择引脚，将CS置低可使能串行接口。
• SO：串行数据输出引脚。
• DNC：不连接引脚。

2. 串行接口

通过将CS置低并在SCK施加时钟信号，可从SO引脚读取转换结果。完成一次冷端补偿热电偶温度的串行接口读取需要14个时钟周期，若要读取热电偶和参考结温度则需要32个时钟周期。数据输出的第1位（D31）为热电偶温度符号位，D[30:18]包含转换后的温度值，D16为故障位，参考结温度数据从D15开始。

四、工作原理

1. 温度转换

MAX31855内部包含信号调理硬件，将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容的电压。在将热电电压转换为等效温度值之前，会进行冷端补偿，以消除热电偶冷端与0°C虚拟参考之间的温度差异。对于K型热电偶，其输出电压与温度的关系近似为线性方程：$V{OUT }=left(41.276 mu V /^{circ} Cright) timesleft(T{R}-T_{AMB}right)$ ，但由于热电偶存在一定的非线性，需要对输出数据进行适当的校正。

2. 冷端补偿

热电偶的作用是检测两端的温度差。MAX31855通过测量内部管芯温度来感知参考结温度的变化，并进行补偿。先测量管芯温度，再测量参考结处热电偶的输出电压，将其转换为未补偿的热电偶温度值，最后加上管芯温度得到热电偶的“热端”温度。为保证最佳性能，应使热电偶冷端与器件保持相同温度，避免在MAX31855附近放置发热器件。

3. 转换功能

在转换时间tCONV内，MAX31855会执行三个功能：内部冷端温度转换、外部热电偶温度转换和热电偶故障检测。通过不同开关的闭合和断开，实现不同功能的切换。故障检测时，会检测T+和T-输入是否短路到VCC或GND，以及热电偶是否开路。若出现故障，输出数据的相应位会置高。

五、应用注意事项

1. 噪声考虑

由于热电偶信号电平较小，容易受到电源耦合噪声的影响。为减小电源噪声的影响，可在VCC引脚和GND之间靠近器件处放置一个0.1μF的陶瓷旁路电容。同时，输入放大器为低噪声放大器，应将热电偶及连接线远离电噪声源，并在T+和T-引脚之间添加一个10nF的陶瓷表面贴装差分电容，以过滤热电偶线路上的噪声。

2. 热考虑

在某些应用中，器件的自热会降低温度测量的准确性。温度误差的大小取决于器件封装的热导率、安装技术和气流影响。使用大面积接地平面可以提高器件的温度测量精度。此外，还应注意选择合适的热电偶线，避免机械应力和振动，使用双绞线延长线等，以提高热电偶系统的准确性。

六、订购信息

MAX31855有多种型号可供选择，每种型号对应不同的热电偶类型和测量温度范围。例如，MAX31855KASA+适用于K型热电偶，测量温度范围为 -200°C至 +1350°C，采用8引脚SO封装。所有器件的工作温度范围均为 -40°C至 +125°C。

MAX31855以其出色的性能、丰富的功能和便捷的接口，为电子工程师在温度测量应用中提供了一个可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要充分了解其特性和注意事项，以确保系统的准确性和稳定性。大家在使用MAX31855的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。