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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、微功耗線性穩壓器 OP193：精密、微功耗單通道運算放大器 ADR3412：微功耗、高精度1.2 V基準電壓源 評估和設計支持 電路評估板 CN-0319電路評估板(EVAL-CN0319-EB1Z) 設計和集成文件 原理圖、布局文件、物料清單 電路功能與優勢 圖1所示電路是一款完整的環路供電型熱電偶溫度測量系統，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基于環路的溫度監控電路（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處理器內核以及用于控制環路電壓高達28 V的4 mA至20 mA環路的PWM/DAC特性，提供一種低成本溫度監控解決方案。 其中，ADuCM360連接到一個T型熱電偶和一個100 Ω鉑電阻溫度檢測器(RTD)。RTD用于冷結補償。低功耗Cortex-M3內核將ADC讀數轉換為溫度值。支持的T型熱電偶溫度范圍是-200℃至+350℃，而此溫度范圍所對應的輸出電流范圍是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驅動4 mA至20 mA環路的優勢。基于PWM的輸出提供14位分辨率。有關溫度傳感器與ADC的接口，以及RTD測量的線性化技巧詳細信息，請參考電路筆記CN-0300和應用筆記AN-0970。 電路描述 電路采用線性穩壓器ADP1720供電，可將環路加電源調節至3.3 V，為ADuCM360、運算放大器OP193和可選基準電壓源ADR3412提供電源。 溫度監控器 本部分電路與CN-0300(《提供4 mA至20 mA輸出的完整閉環精密模擬微控制器熱電偶測量系統》)中描述的溫度監控器電路相似，使用ADuCM360的下列特性： ● 24位Σ-Δ型ADC內置PGA，在軟件中為熱電偶和RTD設置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續切換。 ● 可編程激勵電流源驅動受控電流流過RTD。雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內以一定的階躍進行配置。本例使用200 μA設置，以便將RTD自熱效應引起的誤差降至最小。 ● ADuCM360中的ADC內置了1.2 V基準電壓源。內部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。 ● ADuCM360中ADC的外部基準電壓源。測量RTD電阻時，我們采用比率式設置，將一個外部基準電阻(RREF)連接在外部VREF+和VREF-引腳上。由于該電路中的基準電壓源為高阻抗，因此需要使能片內基準電壓輸入緩沖器。片內基準電壓緩沖器意味著無需外部緩沖器即可將輸入泄漏影響降至最低。 ● 偏置電壓發生器(VBIAS)。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設置為AVDD_REG/2 (900 mV)。同樣，這樣便無需外部電阻，便可以設置熱電偶共模電壓。 ● ARM Cortex-M3內核。功能強大的32位ARM內核集成了126 KB閃存和8 KB SRAM存儲器，用來運行用戶代碼，可配置和控制ADC，并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉換為最終的溫度值。它還可控制PWM輸出，驅動4mA至20 mA環路。出于額外調試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。 通信 ● 使用OP193對16位PWM輸出進行外部緩沖，并控制外部NPN晶體管BC548。通過控制此晶體管的VBE電壓，可將經過47.5 Ω負載電阻的電流設置為所需的值。這樣就針對4 mA至20 mA輸出提供優于±0.5℃的精度（–200℃至+350℃，參考測試結果）。 ● 使用內部DAC為OP193提供1.2 V基準電壓。或者，也可以使用1.2 V精密基準電壓源ADR3412，獲得溫度范圍內更高的精度。該外部基準電壓源功耗與內部DAC相近(~50 μA)。參見“功耗測量測試”部分。 通過ADuCM360片上16位PWM（脈沖寬度調制）控制4 mA至20 mA環路。通過軟件可配置PWM的占空比，以便控制47.5 Ω RLOOP電阻上的電壓，進而設置環路電流。請注意，RLOOP的頂端連接ADuCM360地。RLOOP的底端連接環路地。由于這個原因，ADuCM360、ADP1720、ADR3412和OP193的輸出電流，加上濾波PWM輸出設置的電流，一同流過RLOOP。 R1和R2的結點電壓可表示為： VR12 = (VRLOOP + VREF) × R2/(R1 + R2) - VRLOOP 環路建立后： VIN = VR12 由于R1 = R2： VIN = (VRLOOP + VREF)/2 - VRLOOP = VREF/2 - VRLOOP /2 VRLOOP = VREF - 2VIN 當VIN = 0時流過滿量程電流，此時VRLOOP = VREF。因此，滿量程電流為VREF/RLOOP，或者≈24 mA。當VIN = VREF/2時，無電流流過。 VIN處的OP193放大器阻抗非常高，并且不會加載PWM濾波輸出。放大器輸出僅發生少許變化，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，因此供電軌處的運算放大器性能要求不高。 R1和R2的絕對值不重要。但是，R1和R2的匹配很重要。 ADC1用于溫度測量，因此本電路筆記直接適用于只有一個ADC的ADuCM361。EVAL-CN0319-EB1Z評估板包括標記為VR12點的電壓測量選項，測量時使用ADuCM360上的ADC0輸入通道。該ADC測量可用于PWM控制軟件的反饋，調節4 mA至20 mA電流設置。 編程、調試和測試 ● UART用作與PC主機的通信接口。這用于對片內閃存進行編程。它還可作為調試端口，用于校準濾波PWM輸出。 ● 兩個外部開關用來強制該器件進入閃存引導模式。使SD處于低電平，同時切換RESET按鈕，ADuCM360將進入引導模式，而不是正常的用戶模式。在引導模式下，通過UART接口可以對內部閃存重新編程。 代碼說明 用于測試本電路的源代碼可從ADuCM360和ADuCM361產品頁面下載（zip壓縮文件）。源代碼使用示例代碼隨附的函數庫。 圖2顯示了利用Keil μVision4工具查看時項目中所用的源文件列表。 圖2. Keil μVision4中查看的源文件 11386-002 溫度監控器 ADC1用于熱電偶和RTD上的溫度測量。本節代碼拷貝自電路筆記CN-0300。詳情請參見該電路筆記。 通信部分 需調節PWM濾波輸出，以便確保最小溫度時的4 mA輸出以及最大溫度時的20 mA輸出。提供校準程序，使用#define CalibratePWM參數可輕松包含或移除該程序。 若需校準PWM，接口板(USB-SWD/UART)必須連接至J1和PC上的USB端口�？墒褂谩俺壗K端”等COM端口查看程序來查看校準菜單并逐步執行校準程序。 校準PWM時，應將VLOOP+和VLOOP–輸出端連接至精確的電流表。PWM校準程序的第一部分調整DAC以設置20 mA輸出，第二部分則調整PWM以設置20 mA輸出。用于設置4 mA和20 mA輸出的PWM代碼會存儲到閃存中。 UART配置為波特率19200、8數據位、無極性、無流量控制。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查看該程序發送給UART的結果，如圖3所示。 要輸入校準程序所需的字符，請在查看終端中鍵入所需字符，然后ADuCM360 UART端口就會收到該字符。 圖3. 校準PWM時的“超級終端”輸出 校準后，演示代碼關斷UART時鐘，進一步節省功耗。 校準系數保存在閃存內，因此不必每次在電路板上電時運行校準程序，除非VLOOP電平發生改變。 代碼流程圖見圖4。 圖4. 代碼流程圖 常見變化 該電路包括HART通信尺寸以及外部基準電壓源尺寸。 電路評估與測試 本文檔不含溫度檢測部分，因為這部分內容已在CN-0300中涉及。本文檔重點關注溫度-電流輸出的性能。 PWM差分非線性(DNL) 首先測量濾波PWM輸出的DNL。圖5中的DNL曲線顯示，在關鍵的4 mA至20 mA范圍內具有優于0.3 LSB的典型性能。在PWM輸出端利用二階濾波器執行這些測試。使用兩個47 kΩ電阻和兩個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中的設置用來測試電路的通信部分。 PC通過UART將溫度值發送到ADuCM360，然后ADuCM360根據該值調節PWM輸出。環路電流經測量并記錄。 1℃的溫度提升相當于： (20 mA – 4 mA)/550 = 0.029029 mA 圖6. 測量設置 表1. 溫度和預期電流 CN-0300（DAC控制）和CN-0319（PWM控制）中的環路電流測量誤差見圖7。 圖7. DAC控制(CN-0300)和PWM控制(CN-0319)兩種情形下電流環路誤差與溫度讀數的關系 這些結果顯示校準后，無反饋PWM控制環路的精度優于有反饋的DAC控制環路。 若需更高精度，可增加反饋環路。這將需要使用ADuCM360并使能第二個ADC來監控環路。它將增加功耗（ADC0導通），并降低環路的響應速度。 電流環路的更新速率取決于CPU和ADC配置。在示例代碼中，CPU速度設為1 MHz，ADC頻率為5 Hz。ADC對結果求平均值前，先轉換RTD和熱電偶上的一部分樣本。樣本數由參數SAMPLEN0定義。在示例代碼中，其默認值設為8。這將使電流環路的更新速率為740 ms。 如需更快的環路響應時間，可減少SAMPLEN0。 功耗測量測試 正常工作時，整個電路的功耗通常為2 mA。保持在復位狀態時，整個電路的功耗不到550 μA。 為方便低功耗操作，可編程內部CLKSYSDIV寄存器以降低ADuCM360/ADuCM361內核工作速度，使低功耗系統時鐘等于8 MHz。另外，編程CLKCON0寄存器可允許將16 MHz內核頻率分頻至二進制的2至128倍。本示例代碼中，使用8作為時鐘分頻值，內核速度為1 MHz。 主ADC以增益32使能。還使能PWM和DAC，用于環路通信。 禁用所有未使用的外設，最大程度減少功耗。 表2列出整個電路中的各項IDD功耗。 DD典型值"> 表2. 溫度監控電路元件的IDD典型值 |
