利用精密模擬微控制器構(gòu)建4mA至20mA環(huán)路供電溫度監(jiān)控器

電路功能與優(yōu)勢(shì)

該電路提供一種簡(jiǎn)單的高度集成溫度.解決方案，它可以與4 mA至20 mA主機(jī)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。與使用分立ADC和單獨(dú)微控制器的解決方案相比，本電路堪稱性價(jià)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(yīng)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(cè)量外部RTD溫度傳感器，PWM控制4 mA至20 mA反饋電路，則整個(gè)電路的功耗典型值為3.15 mA。有關(guān)功耗的詳細(xì)信息參見(jiàn)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(cè)量的間隙，可以關(guān)斷ADC和RTD激勵(lì)電流源，以進(jìn)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(wú)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(gè)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(gè)電路可以放在極小的PCB上，從而進(jìn)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(yùn)算放大器 OP193和可選的基準(zhǔn)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(guò)軟件配置，以控制47.5 ΩRLOOP電阻上的電壓，進(jìn)而設(shè)置環(huán)路電流。請(qǐng)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(shè)置的電流，均流經(jīng)RLOOP。

VREF由1.2 V精密基準(zhǔn)電壓源ADR280提供?；蛘?，也可以配置ADuC7060/ADuC7061的片內(nèi)DAC來(lái)提供1.2 V基準(zhǔn)電壓，但使能內(nèi)部DAC會(huì)導(dǎo)致額外的功耗。

R1與R2接點(diǎn)電壓可以表示為：

當(dāng)VIN = 0時(shí)，將產(chǎn)生滿量程電流，此時(shí)VRLOOP = VREF。因此，滿量程電流為VREF/RLOOP，或者約為24 mA。當(dāng)VIN = VREF/2，無(wú)電流流動(dòng)。

VIN時(shí)放大器OP193為高阻抗?fàn)顟B(tài)，不會(huì)構(gòu)成PWM濾波輸出的負(fù)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(wú)關(guān)緊要;因此，運(yùn)算放大器不需要在電源軌時(shí)具有良好的性能。

R1和R2的絕對(duì)值無(wú)關(guān)緊要。不過(guò)應(yīng)注意，R1與R2的匹配度很重要。

還應(yīng)注意利用ADuC7060/ADuC7061上ADC0的輸入通道測(cè)量VR12點(diǎn)電壓的可能性。此ADC測(cè)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(shè)置。

ADuC7060/ADuC7061的主ADC測(cè)量RTD上的電壓。RTD由片內(nèi)激勵(lì)電流源IEXC0激勵(lì)。建議將激勵(lì)電流配置為200 μA以降低功耗，測(cè)量間隙應(yīng)將其關(guān)閉。主ADC前端的內(nèi)部PGA增益配置為16或32。RTD測(cè)量的基準(zhǔn)源可以是內(nèi)部基準(zhǔn)源或外部5.62 kΩ參考電阻。選擇外部電阻可以進(jìn)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(xì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)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(dú)立電源)。本文假設(shè)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(yīng)超過(guò)約3.6 mA。

為支持低功耗運(yùn)行，可以對(duì)內(nèi)部POWCON0寄存器進(jìn)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(jìn)行分頻。測(cè)試期間使用的時(shí)鐘分頻值為16，此時(shí)內(nèi)核速度為640 kHz。主ADC使能時(shí)，增益為32。PWM也可使能。所有其它外設(shè)均禁用。

針對(duì)我們的電路和測(cè)試設(shè)置，表1詳細(xì)列出了IDD的各項(xiàng)功耗，表2則列出了各種外設(shè)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(cè)試在PWM輸出端采用二階濾波器，并使用兩個(gè)47 kΩ電阻和兩個(gè)100 nF電容，如圖1所示。

圖2. 電路的典型DNL性能

利用ADC測(cè)量點(diǎn)VR12和電路其它點(diǎn)的電壓，可以增強(qiáng)PWM輸出的性能。這種反饋方法可以用于校準(zhǔn)PWM輸出，以提供更高精度。

請(qǐng)注意，PWM電路僅用來(lái)設(shè)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(wú)關(guān)緊要。