MAX31850/MAX31851：冷端补偿1-Wire热电偶数字转换器的深度解析

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。而MAX31850/MAX31851冷端补偿1-Wire热电偶数字转换器，无疑为温度测量提供了一个高效且可靠的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款转换器的特点、性能以及应用。

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一、产品概述

MAX31850/MAX31851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。其分辨率可达0.25°C，可测量的温度范围从 -270°C到 +1768°C，在 -200°C到 +700°C的温度范围内，热电偶精度为8 LSB（2°C）。通过1-Wire总线与主微控制器通信，仅需一根数据线（和接地），并且可通过数据线获取工作电源（寄生电源），无需外部电源。每个设备都有唯一的64位序列号，可实现多设备在同一1-Wire总线上工作，方便使用一个微控制器监控大面积分布的多个热电偶温度。此外，四个位置地址输入简化了单个设备到特定位置的映射。

二、产品特性与优势

2.1 集成化设计

• 高分辨率：具备14位、0.25°C的分辨率，能够提供精确的温度测量数据。
• 冷端补偿：集成冷端补偿功能，有效提高温度测量的准确性。
• 多类型支持：支持多种热电偶类型，MAX31850支持K、J、N、T和E型，MAX31851支持S和R型。
• 故障检测：可检测热电偶短路到地或电源，以及热电偶开路情况，增强了系统的可靠性。

2.2 1-Wire多节点能力

• 接口简单：采用1-Wire接口（只读），且可通过接口获取电源（寄生电源模式），简化了多传感器系统的设计。

三、电气与热特性

3.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。MAX31850/MAX31851的电源电压范围为 -0.3V至 +4.0V，工作温度范围为 -40°C至 +125°C等。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

3.2 DC电气特性

涵盖了供电电压、输入逻辑电平、输出灌电流、待机和工作电流等参数。例如，供电电压在本地供电时为3.0V - 3.7V，待机电流典型值为280nA等。

3.3 热特性

不同类型热电偶的温度增益和偏移误差在不同温度范围内有明确规定。如MAX31850K在 -100°C至 +100°C，环境温度为0°C至 +70°C时，误差范围为 -1°C至 +1°C。此外，还包括热电偶温度数据分辨率、长期漂移、内部冷端温度误差等参数。

3.4 1-Wire时序特性

规定了时间到强上拉开启、时间槽、恢复时间等一系列时序参数，确保1-Wire总线通信的准确性和稳定性。

四、引脚配置与功能

MAX31850/MAX31851采用10引脚TDFN - EP封装，各引脚功能明确。GND为接地引脚，T - 和T + 为热电偶输入引脚，VDD为电源电压引脚，DQ为数据输入/输出引脚，同时在寄生电源模式下为器件供电，AD0 - AD3为位置地址输入引脚。

五、工作原理

5.1 温度转换

器件包含信号调理硬件，将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容的电压。在转换热电电压为等效温度值之前，需要对热电偶冷端（器件环境温度）与0°C虚拟参考之间的差异进行补偿。

5.2 冷端补偿

通过测量内部芯片温度，结合热电偶输出电压，计算出热电偶的“热端”温度。为保证最佳性能，应使热电偶冷端与器件处于相同温度，避免在器件附近放置发热设备。

5.3 转换功能

在转换时间tCONV内，执行内部冷端温度转换、外部热电偶温度转换和热电偶故障检测三个功能。通过不同开关的切换，实现不同功能的操作。

六、供电方式

6.1 寄生电源模式

通过1-Wire总线在高电平时“窃取”电源，为器件供电。在温度转换时，需要提供强上拉以确保足够的供电电流。但在温度高于100°C时，不建议使用寄生电源模式。

6.2 外部电源供电

将外部电源连接到VDD引脚，这种方式无需MOSFET上拉，1-Wire总线在温度转换期间可自由传输其他数据。

七、64位ROM代码与暂存器

7.1 64位ROM代码

每个器件的ROM中存储着唯一的64位代码，包括8位家族代码、48位序列号和8位CRC字节，用于实现1-Wire设备的通信协议。

7.2 暂存器

暂存器包含热电偶温度寄存器、内部冷端温度寄存器、配置寄存器等。配置寄存器可读取地址引脚的编程值，提供位置信息。

八、CRC生成

CRC字节用于数据验证，通过特定的多项式函数计算得出。总线主设备可重新计算CRC并与设备的CRC值进行比较，以确保数据读取的准确性。

九、1-Wire总线系统

9.1 硬件配置

1-Wire总线仅需一根数据线，每个设备通过开漏或三态端口连接到数据线。总线需要一个约5kΩ的外部上拉电阻，空闲状态为高电平。

9.2 事务序列

包括初始化、ROM命令和功能命令三个步骤。初始化由总线主设备发送复位脉冲，从设备发送存在脉冲；ROM命令用于识别和选择特定设备；功能命令用于读取暂存器、启动温度转换和确定电源模式。

9.3 1-Wire信号

定义了复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1等信号类型，确保数据通信的完整性。

十、应用信息

10.1 热电偶故障检测

通过暂存器中的特定位检测热电偶开路或短路到地或电源的情况。

10.2 噪声考虑

为减少电源耦合噪声的影响，可在VDD引脚和GND之间放置0.1μF陶瓷旁路电容，在T + 和T - 引脚之间添加10nF陶瓷表面贴装差分电容。

10.3 热考虑

为提高温度测量精度，可使用大接地平面，选择合适的热电偶线，避免机械应力和振动等。

十一、订购信息

提供了不同型号的器件，对应不同类型的热电偶和测量温度范围，封装均为10 TDFN - EP。

MAX31850/MAX31851以其高集成度、多类型支持、1-Wire通信等特点，为温度测量应用提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，电子工程师需要根据具体需求合理选择供电方式、注意噪声和热问题，以确保系统的稳定性和准确性。大家在使用这款转换器的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。