基于ADuC7060/ ADuC7061 的溫度監(jiān)控解決方案
電路功能與優(yōu)勢
該電路提供一種簡單的高度集成溫度.解決方案,它可以與4 mA至20 mA主機控制器接口。由于絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器 ADuC7060/ ADuC7061 中,包括雙通道24位Σ-Δ型ADC、ARM7處理器內(nèi)核以及用于控制4 mA至20 mA反饋電路的DAC/PWM特性,因此本電路是一種成本非常低的溫度監(jiān)控解決方案。
ADuC7060/ADuC7061內(nèi)集成的ADC和其它模擬電路性能優(yōu)于其它集成模擬電路的微控制器競爭產(chǎn)品。與使用分立ADC和單獨微控制器的解決方案相比,本電路堪稱性價比最高、功耗最低、電路板面積最小的解決方案。高度集成和低功耗特性,使ADuC7060/ADuC7061能夠直接采用4 mA至20 mA應用中的環(huán)路電源供電。如果ARM7內(nèi)核在640 kHz下工作,主ADC有效并測量外部RTD溫度傳感器,PWM控制4 mA至20 mA反饋電路,則整個電路的功耗典型值為3.15 mA。有關(guān)功耗的詳細信息參見電路描述部分。
圖1. ADuC7061控制4 mA至20 mA環(huán)路溫度監(jiān)控電路(原理示意圖,未顯示去耦和所有連接)
在溫度測量的間隙,可以關(guān)斷ADC和RTD激勵電流源,以進一步降低功耗。
100 Ω Pt RTD為Enercorp #PCS11503.1。完整電路的精度高于±1°C。此RTD的溫度范圍為?50°C至+130°C。它采用1206尺寸的SMD封裝,溫度系數(shù)為0.385 Ω/°C。
ADuC7060/ADuC7061內(nèi)部主ADC的峰峰值無噪聲碼分辨率大于18位?;赑WM的DAC輸出提供12位有效分辨率。整個電路的性能將在電路描述部分討論。
ADuC7061采用5 mm × 5 mm 32-LFCSP小型封裝,因此整個電路可以放在極小的PCB上,從而進一步降低成本。
電路描述
本電路由線性調(diào)節(jié)器 ADP1720 (可調(diào)版本)供電,它將環(huán)路電源調(diào)節(jié)至2.5 V,用于ADuC7060/ADuC7061、運算放大器 OP193和可選的基準電壓源 ADR280 。
4 mA-20 mA反饋電路主要由ADuC7060的片內(nèi)16位PWM(脈沖寬度調(diào)制器)控制。PWM的占空比通過軟件配置,以控制47.5 ΩRLOOP電阻上的電壓,進而設置環(huán)路電流。請注意,RLOOP上方連接到ADuC7060接地,RLOOP下方連接到環(huán)路接地。因此,ADuC7060/ADuC7061、ADP1720、ADR280和OP193所引起的電流,以及濾波PWM輸出所設置的電流,均流經(jīng)RLOOP。
VREF由1.2 V精密基準電壓源ADR280提供?;蛘?,也可以配置ADuC7060/ADuC7061的片內(nèi)DAC來提供1.2 V基準電壓,但使能內(nèi)部DAC會導致額外的功耗。
R1與R2接點電壓可以表示為:
當VIN = 0時,將產(chǎn)生滿量程電流,此時VRLOOP = VREF。因此,滿量程電流為VREF/RLOOP,或者約為24 mA。當VIN = VREF/2,無電流流動。
VIN時放大器OP193為高阻抗狀態(tài),不會構(gòu)成PWM濾波輸出的負載。放大器輸出的變化幅度很小,僅約為0.7 V。
量程極限(0 mA至4 mA和20 mA至24 mA)處的性能無關(guān)緊要;因此,運算放大器不需要在電源軌時具有良好的性能。
R1和R2的絕對值無關(guān)緊要。不過應注意,R1與R2的匹配度很重要。
還應注意利用ADuC7060/ADuC7061上ADC0的輸入通道測量VR12點電壓的可能性。此ADC測量結(jié)果可以用作反饋,以便PWM控制軟件調(diào)整4 mA至20 mA電流設置。
ADuC7060/ADuC7061的主ADC測量RTD上的電壓。RTD由片內(nèi)激勵電流源IEXC0激勵。建議將激勵電流配置為200 μA以降低功耗,測量間隙應將其關(guān)閉。主ADC前端的內(nèi)部PGA增益配置為16或32。RTD測量的基準源可以是內(nèi)部基準源或外部5.62 kΩ參考電阻。選擇外部電阻可以進一步降低功耗。有關(guān)RTD與ADC接口和ADC結(jié)果線性化技術(shù)的詳細信息,請參考應用筆記AN-0970和電路筆記CN-0075。
該電路的功耗要求取決于溫度監(jiān)控模塊是直接采用4 mA至20 mA環(huán)路電源供電,還是采用4線式有源環(huán)路供電(溫度監(jiān)控模塊采用獨立電源)。本文假設溫度監(jiān)控模塊采用環(huán)路電源供電,因此該模塊的總功耗不應超過約3.6 mA。
為支持低功耗運行,可以對內(nèi)部POWCON0寄存器進行編程,以降低ADuC7060/ADuC7061內(nèi)核的工作速度。其最高頻率10.28 MHz可以按2的冪(2至128)進行分頻。測試期間使用的時鐘分頻值為16,此時內(nèi)核速度為640 kHz。主ADC使能時,增益為32。PWM也可使能。所有其它外設均禁用。
針對我們的電路和測試設置,表1詳細列出了IDD的各項功耗,表2則列出了各種外設的功耗。
圖2的DNL圖顯示:在4 mA至20 mA關(guān)鍵范圍內(nèi),DNL典型值優(yōu)于0.6 LSB。這些測試在PWM輸出端采用二階濾波器,并使用兩個47 kΩ電阻和兩個100 nF電容,如圖1所示。
圖2. 電路的典型DNL性能
利用ADC測量點VR12和電路其它點的電壓,可以增強PWM輸出的性能。這種反饋方法可以用于校準PWM輸出,以提供更高精度。
請注意,PWM電路僅用來設置0 V至600 mV范圍內(nèi)的輸出電壓,因此代碼數(shù)量得以減少。0以上的碼代表大于24 mA的值,因而無關(guān)緊要。