構(gòu)建4~20mA環(huán)路供電型溫度監(jiān)控器

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)?；赑WM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。通過控制此晶體管的VBE電壓，可將經(jīng)過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“功耗測(cè)量測(cè)試”部分。

通過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RLOOP。