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基于 ADuCM360的熱電偶溫度監(jiān)控系統(tǒng)設計

2015/01/27

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電路功能與優(yōu)勢
本電路在精密熱電偶溫度監(jiān)控應用中使用 ADuCM360精密模擬微控制器，并相應地控制4 mA至20 mA的輸出電流。 ADuCM360 集成雙通道24位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、雙通道可編程電流源、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、1.2 V內(nèi)置基準電壓源以及ARM Cortex-M3內(nèi)核、126 KB閃存、8 KB SRAM和各種數(shù)字外設，例如UART、定時器、SPI和I2C接口。
在該電路中， ADuCM360連接到一個T型熱電偶和一個100鉑電阻溫度檢測器(RTD)。RTD用于冷結(jié)補償。低功耗Cortex-M3內(nèi)核將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實際溫度值。支持的T型溫度范圍是?200°C至+350°C，而此溫度范圍所對應的輸出電流范圍是4 mA至20 mA。
該電路為熱電偶測量提供了完整的解決方案，所需外部元件極少，并且可針對高達28 V的環(huán)路電壓采用環(huán)路供電。

電路描述
本應用中用到ADuCM360的下列特性：
12位DAC輸出及其靈活的片內(nèi)輸出緩沖器用于控制外部NPN晶體管BC548。通過控制此晶體管的VBE電壓，可將經(jīng)過47Ω負載電阻的電流設置為所需的值。
DAC為12位單調(diào)式，但其輸出精度通常在3 LSB左右。此外，雙極性晶體管引入了線性誤差。為提高DAC輸出的精度并消除失調(diào)和增益端點誤差，ADC0會測量反饋電壓，從而反映負載電阻(RLOAD)兩端的電壓。根據(jù)此ADC0讀數(shù)，DAC輸出將通過源代碼糾正。這樣就針對4 mA至20 mA的輸出提供了±0.5°C的精度。
24位Σ-Δ 型ADC內(nèi)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(xù)切換。
可編程激勵電流源驅(qū)動受控電流流過RTD。雙通道電流源可在0μA至2 mA范圍內(nèi)以一定的階躍進行配置。本例使用200μA設置，以便將RTD自熱效應引起的誤差降至最小。
ADuCM360中的ADC內(nèi)置了1.2 V基準電壓源。內(nèi)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(nèi)基準電壓輸入緩沖器。片內(nèi)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(fā)生器(VBIAS)。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設置為AVDD/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(nèi)核。功能強大的32位ARM內(nèi)核集成了126 KB閃存和8 KBSRAM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(zhuǎn) 換為最終的溫度值。它還可以利用來自AIN9電壓電平的閉環(huán)反饋控制并持續(xù)監(jiān)控DAC輸出。出于額外調(diào)試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。
UART用作與PC主機的通信接口。這用于對片內(nèi)閃存進行編程。它還可作為調(diào)試端口，用于校準DAC和ADC。
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(nèi)部閃存重新編程。
J1連接器是一個8引腳雙列直插式連接器，與CN0300支持硬件隨附的USB-SWD/UART板相連。配合J-Link-Lite 板可對此應用電路板進行編程和調(diào)試。參見圖3。
熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號均非常小，因此需要使用可編程增益放大器(PGA)來放大這些信號。
本應用使用的熱電偶為T型(銅-康銅)，其溫度范圍為?200°C至+350°C，靈敏度約為40ΩV/°C，這意味著ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設置下可以覆蓋熱電偶的整個溫度范圍。
RTD用于冷結(jié)補償。本電路使用的RTD為100Ω鉑RTD，型號為Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表貼封裝，溫度變化率為0.385 Ω/°C。
注意，基準電阻RREF必須為精密5.6 kΩ (±0.1%)電阻。
本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板(PCB)上。為實現(xiàn)最佳性能，必須采用適當?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(請參考指南MT-031——“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”、指南MT-101——“去耦技術”以及 ADuCM360TCZ評估板布局)。