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連接/參考器件 ADuCM360：集成雙通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的精密模擬微控制器 ADuCM361：集成單通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的精密模擬微控制器 ADP1720：50 mA、高壓、微功耗線性穩(wěn)壓器 OP193：精密、微功耗單通道運(yùn)算放大器 ADR3412：微功耗、高精度1.2 V基準(zhǔn)電壓源 評(píng)估和設(shè)計(jì)支持 電路評(píng)估板 CN-0319電路評(píng)估板(EVAL-CN0319-EB1Z) 設(shè)計(jì)和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優(yōu)勢(shì) 圖1所示電路是一款完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4 mA至20 mA輸出電流。 圖1. ADuCM360控制4 mA至20 mA基于環(huán)路的溫度監(jiān)控電路（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦） 本電路將絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器ADuCM360上，包括雙通道24位Σ-Δ型ADC、ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核以及用于控制環(huán)路電壓高達(dá)28 V的4 mA至20 mA環(huán)路的PWM/DAC特性，提供一種低成本溫度監(jiān)控解決方案。 其中，ADuCM360連接到一個(gè)T型熱電偶和一個(gè)100 Ω鉑電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。RTD用于冷結(jié)補(bǔ)償。低功耗Cortex-M3內(nèi)核將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度值。支持的T型熱電偶溫度范圍是-200℃至+350℃，而此溫度范圍所對(duì)應(yīng)的輸出電流范圍是4 mA至20 mA。 本電路與電路筆記CN-0300中描述的電路相似，但本電路具有以更高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)4 mA至20 mA環(huán)路的優(yōu)勢(shì)。基于PWM的輸出提供14位分辨率。有關(guān)溫度傳感器與ADC的接口，以及RTD測(cè)量的線性化技巧詳細(xì)信息，請(qǐng)參考電路筆記CN-0300和應(yīng)用筆記AN-0970。 電路描述 電路采用線性穩(wěn)壓器ADP1720供電，可將環(huán)路加電源調(diào)節(jié)至3.3 V，為ADuCM360、運(yùn)算放大器OP193和可選基準(zhǔn)電壓源ADR3412提供電源。 溫度監(jiān)控器 本部分電路與CN-0300(《提供4 mA至20 mA輸出的完整閉環(huán)精密模擬微控制器熱電偶測(cè)量系統(tǒng)》)中描述的溫度監(jiān)控器電路相似，使用ADuCM360的下列特性： ● 24位Σ-Δ型ADC內(nèi)置PGA，在軟件中為熱電偶和RTD設(shè)置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續(xù)切換。 ● 可編程激勵(lì)電流源驅(qū)動(dòng)受控電流流過(guò)RTD。雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內(nèi)以一定的階躍進(jìn)行配置。本例使用200 μA設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。 ● ADuCM360中的ADC內(nèi)置了1.2 V基準(zhǔn)電壓源。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測(cè)量熱電偶電壓。 ● ADuCM360中ADC的外部基準(zhǔn)電壓源。測(cè)量RTD電阻時(shí)，我們采用比率式設(shè)置，將一個(gè)外部基準(zhǔn)電阻(RREF)連接在外部VREF+和VREF-引腳上。由于該電路中的基準(zhǔn)電壓源為高阻抗，因此需要使能片內(nèi)基準(zhǔn)電壓輸入緩沖器。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓緩沖器意味著無(wú)需外部緩沖器即可將輸入泄漏影響降至最低。 ● 偏置電壓發(fā)生器(VBIAS)。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為AVDD_REG/2 (900 mV)。同樣，這樣便無(wú)需外部電阻，便可以設(shè)置熱電偶共模電壓。 ● ARM Cortex-M3內(nèi)核。功能強(qiáng)大的32位ARM內(nèi)核集成了126 KB閃存和8 KB SRAM存儲(chǔ)器，用來(lái)運(yùn)行用戶代碼，可配置和控制ADC，并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉(zhuǎn)換為最終的溫度值。它還可控制PWM輸出，驅(qū)動(dòng)4mA至20 mA環(huán)路。出于額外調(diào)試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。 通信 ● 使用OP193對(duì)16位PWM輸出進(jìn)行外部緩沖，并控制外部NPN晶體管BC548。通過(guò)控制此晶體管的VBE電壓，可將經(jīng)過(guò)47.5 Ω負(fù)載電阻的電流設(shè)置為所需的值。這樣就針對(duì)4 mA至20 mA輸出提供優(yōu)于±0.5℃的精度（–200℃至+350℃，參考測(cè)試結(jié)果）。 ● 使用內(nèi)部DAC為OP193提供1.2 V基準(zhǔn)電壓。或者，也可以使用1.2 V精密基準(zhǔn)電壓源ADR3412，獲得溫度范圍內(nèi)更高的精度。該外部基準(zhǔn)電壓源功耗與內(nèi)部DAC相近(~50 μA)。參見(jiàn)“功耗測(cè)量測(cè)試”部分。 通過(guò)ADuCM360片上16位PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制4 mA至20 mA環(huán)路。通過(guò)軟件可配置PWM的占空比，以便控制47.5 Ω RLOOP電阻上的電壓，進(jìn)而設(shè)置環(huán)路電流。請(qǐng)注意，RLOOP的頂端連接ADuCM360地。RLOOP的底端連接環(huán)路地。由于這個(gè)原因，ADuCM360、ADP1720、ADR3412和OP193的輸出電流，加上濾波PWM輸出設(shè)置的電流，一同流過(guò)RLOOP。 R1和R2的結(jié)點(diǎn)電壓可表示為： VR12 = (VRLOOP + VREF) × R2/(R1 + R2) - VRLOOP 環(huán)路建立后： VIN = VR12 由于R1 = R2： VIN = (VRLOOP + VREF)/2 - VRLOOP = VREF/2 - VRLOOP /2 VRLOOP = VREF - 2VIN 當(dāng)VIN = 0時(shí)流過(guò)滿量程電流，此時(shí)VRLOOP = VREF。因此，滿量程電流為VREF/RLOOP，或者≈24 mA。當(dāng)VIN = VREF/2時(shí)，無(wú)電流流過(guò)。 VIN處的OP193放大器阻抗非常高，并且不會(huì)加載PWM濾波輸出。放大器輸出僅發(fā)生少許變化，約為0.7 V。 范圍邊界處（0 mA至4 mA以及20 mA至24 mA）的性能不重要，因此供電軌處的運(yùn)算放大器性能要求不高。 R1和R2的絕對(duì)值不重要。但是，R1和R2的匹配很重要。 ADC1用于溫度測(cè)量，因此本電路筆記直接適用于只有一個(gè)ADC的ADuCM361。EVAL-CN0319-EB1Z評(píng)估板包括標(biāo)記為VR12點(diǎn)的電壓測(cè)量選項(xiàng)，測(cè)量時(shí)使用ADuCM360上的ADC0輸入通道。該ADC測(cè)量可用于PWM控制軟件的反饋，調(diào)節(jié)4 mA至20 mA電流設(shè)置。 編程、調(diào)試和測(cè)試 ● UART用作與PC主機(jī)的通信接口。這用于對(duì)片內(nèi)閃存進(jìn)行編程。它還可作為調(diào)試端口，用于校準(zhǔn)濾波PWM輸出。 ● 兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)用來(lái)強(qiáng)制該器件進(jìn)入閃存引導(dǎo)模式。使SD處于低電平，同時(shí)切換RESET按鈕，ADuCM360將進(jìn)入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下，通過(guò)UART接口可以對(duì)內(nèi)部閃存重新編程。 代碼說(shuō)明 用于測(cè)試本電路的源代碼可從ADuCM360和ADuCM361產(chǎn)品頁(yè)面下載（zip壓縮文件）。源代碼使用示例代碼隨附的函數(shù)庫(kù)。 圖2顯示了利用Keil μVision4工具查看時(shí)項(xiàng)目中所用的源文件列表。 圖2. Keil μVision4中查看的源文件 11386-002 溫度監(jiān)控器 ADC1用于熱電偶和RTD上的溫度測(cè)量。本節(jié)代碼拷貝自電路筆記CN-0300。詳情請(qǐng)參見(jiàn)該電路筆記。 通信部分 需調(diào)節(jié)PWM濾波輸出，以便確保最小溫度時(shí)的4 mA輸出以及最大溫度時(shí)的20 mA輸出。提供校準(zhǔn)程序，使用#define CalibratePWM參數(shù)可輕松包含或移除該程序。 若需校準(zhǔn)PWM，接口板(USB-SWD/UART)必須連接至J1和PC上的USB端口。可使用“超級(jí)終端”等COM端口查看程序來(lái)查看校準(zhǔn)菜單并逐步執(zhí)行校準(zhǔn)程序。 校準(zhǔn)PWM時(shí)，應(yīng)將VLOOP+和VLOOP–輸出端連接至精確的電流表。PWM校準(zhǔn)程序的第一部分調(diào)整DAC以設(shè)置20 mA輸出，第二部分則調(diào)整PWM以設(shè)置20 mA輸出。用于設(shè)置4 mA和20 mA輸出的PWM代碼會(huì)存儲(chǔ)到閃存中。 UART配置為波特率19200、8數(shù)據(jù)位、無(wú)極性、無(wú)流量控制。如果本電路直接與PC相連，則可以使用HyperTerminal或CoolTerm等通信端口查看程序來(lái)查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果，如圖3所示。 要輸入校準(zhǔn)程序所需的字符，請(qǐng)?jiān)诓榭唇K端中鍵入所需字符，然后ADuCM360 UART端口就會(huì)收到該字符。 圖3. 校準(zhǔn)PWM時(shí)的“超級(jí)終端”輸出 校準(zhǔn)后，演示代碼關(guān)斷UART時(shí)鐘，進(jìn)一步節(jié)省功耗。 校準(zhǔn)系數(shù)保存在閃存內(nèi)，因此不必每次在電路板上電時(shí)運(yùn)行校準(zhǔn)程序，除非VLOOP電平發(fā)生改變。 代碼流程圖見(jiàn)圖4。 圖4. 代碼流程圖 常見(jiàn)變化 該電路包括HART通信尺寸以及外部基準(zhǔn)電壓源尺寸。 電路評(píng)估與測(cè)試 本文檔不含溫度檢測(cè)部分，因?yàn)檫@部分內(nèi)容已在CN-0300中涉及。本文檔重點(diǎn)關(guān)注溫度-電流輸出的性能。 PWM差分非線性(DNL) 首先測(cè)量濾波PWM輸出的DNL。圖5中的DNL曲線顯示，在關(guān)鍵的4 mA至20 mA范圍內(nèi)具有優(yōu)于0.3 LSB的典型性能。在PWM輸出端利用二階濾波器執(zhí)行這些測(cè)試。使用兩個(gè)47 kΩ電阻和兩個(gè)100 nF電容，如圖1所示。 圖5. 電路的典型DNL性能 溫度-電流輸出 圖6中的設(shè)置用來(lái)測(cè)試電路的通信部分。 PC通過(guò)UART將溫度值發(fā)送到ADuCM360，然后ADuCM360根據(jù)該值調(diào)節(jié)PWM輸出。環(huán)路電流經(jīng)測(cè)量并記錄。 1℃的溫度提升相當(dāng)于： (20 mA – 4 mA)/550 = 0.029029 mA 圖6. 測(cè)量設(shè)置 表1. 溫度和預(yù)期電流 CN-0300（DAC控制）和CN-0319（PWM控制）中的環(huán)路電流測(cè)量誤差見(jiàn)圖7。 圖7. DAC控制(CN-0300)和PWM控制(CN-0319)兩種情形下電流環(huán)路誤差與溫度讀數(shù)的關(guān)系 這些結(jié)果顯示校準(zhǔn)后，無(wú)反饋PWM控制環(huán)路的精度優(yōu)于有反饋的DAC控制環(huán)路。 若需更高精度，可增加反饋環(huán)路。這將需要使用ADuCM360并使能第二個(gè)ADC來(lái)監(jiān)控環(huán)路。它將增加功耗（ADC0導(dǎo)通），并降低環(huán)路的響應(yīng)速度。 電流環(huán)路的更新速率取決于CPU和ADC配置。在示例代碼中，CPU速度設(shè)為1 MHz，ADC頻率為5 Hz。ADC對(duì)結(jié)果求平均值前，先轉(zhuǎn)換RTD和熱電偶上的一部分樣本。樣本數(shù)由參數(shù)SAMPLEN0定義。在示例代碼中，其默認(rèn)值設(shè)為8。這將使電流環(huán)路的更新速率為740 ms。 如需更快的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，可減少SAMPLEN0。 功耗測(cè)量測(cè)試 正常工作時(shí)，整個(gè)電路的功耗通常為2 mA。保持在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，整個(gè)電路的功耗不到550 μA。 為方便低功耗操作，可編程內(nèi)部CLKSYSDIV寄存器以降低ADuCM360/ADuCM361內(nèi)核工作速度，使低功耗系統(tǒng)時(shí)鐘等于8 MHz。另外，編程CLKCON0寄存器可允許將16 MHz內(nèi)核頻率分頻至二進(jìn)制的2至128倍。本示例代碼中，使用8作為時(shí)鐘分頻值，內(nèi)核速度為1 MHz。 主ADC以增益32使能。還使能PWM和DAC，用于環(huán)路通信。 禁用所有未使用的外設(shè)，最大程度減少功耗。 表2列出整個(gè)電路中的各項(xiàng)IDD功耗。 DD典型值"> 表2. 溫度監(jiān)控電路元件的IDD典型值 |
