采用Cortex-M3的12位4-20mA环路供电型热电偶测量系统_电工基础电路图讲解

　　电路功能与优势

　　本电路在精密热电偶温度监控应用中使用 ADuCM360精密模拟微控制器，并相应地控制4 mA至20 mA的输出电流。 ADuCM360 集成双通道24位∑-△型模数转换器（ADC）、双通道可编程电流源、12位数模转换器（DAC）、1.2 V内置基准电压源以及ARM Cortex-M3内核、126 KB闪存、8 KB SRAM和各种数字外设，例如UART、定时器、SPI和I2C接口。

　　在该电路中， ADuCM360连接到一个T型热电偶和一个100铂电阻温度检测器（RTD）。RTD用于冷结补偿。低功耗Cortex-M3内核将ADC读数转换为实际温度值。支持的T型温度范围是−200°C至+350°C，而此温度范围所对应的输出电流范围是4 mA至20 mA。

　　该电路为热电偶测量提供了完整的解决方案，所需外部元件极少，并且可针对高达28 V的环路电压采用环路供电。

　　图1. 具有热电偶接口、用作温度监控器控制器的ADuCM360（原理示意图，未显示所有连接）

　　电路描述

　　本应用中用到ADuCM360的下列特性：

　　12位DAC输出及其灵活的片内输出缓冲器用于控制外部NPN晶体管BC548。通过控制此晶体管的VBE电压，可将经过47Ω负载电阻的电流设置为所需的值。

　　DAC为12位单调式，但其输出精度通常在3 LSB左右。此外，双极性晶体管引入了线性误差。为提高DAC输出的精度并消除失调和增益端点误差，ADC0会测量反馈电压，从而反映负载电阻（RLOAD）两端的电压。根据此ADC0读数，DAC输出将通过源代码纠正。这样就针对4 mA至20 mA的输出提供了±0.5°C的精度。

　　24位Σ-Δ 型ADC内置PGA，在软件中为热电偶和RTD设置32的增益。ADC1在热电偶与RTD电压采样之间连续切换。

　　可编程激励电流源驱动受控电流流过RTD。双通道电流源可在0μA至2 mA范围内以一定的阶跃进行配置。本例使用200μA设置，以便将RTD自热效应引起的误差降至最小。

　　ADuCM360中的ADC内置了1.2 V基准电压源。内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。

　　ADuCM360中ADC的外部基准电压源。测量RTD电阻时，我们采用比率式设置，将一个外部基准电阻（RREF）连接在外部VREF+和VREF−引脚上。由于该电路中的基准电压源为高阻抗，因此需要使能片内基准电压输入缓冲器。片内基准电压缓冲器意味着无需外部缓冲器即可将输入泄漏影响降至最低。

　　偏置电压发生器（VBIAS）。VBIAS功能用于将热电偶共模电压设置为AVDD/2 （900 mV）。同样，这样便无需外部电阻，便可以设置热电偶共模电压。

　　ARM Cortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了126 KB闪存和8 KBSRAM存储器，用来运行用户代码，可配置和控制ADC，并利用ADC将热电偶和RTD输入转换为最终的温度值。它还可以利用来自AIN9电压电平的闭环反馈控制并持续监控DAC输出。出于额外调试目的，它还可以控制UART/USB接口上的通信。

　　UART用作与PC主机的通信接口。这用于对片内闪存进行编程。它还可作为调试端口，用于校准DAC和ADC。

　　两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使 SD处于低电平，同时切换RESET按钮， ADuCM360将进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，通过UART接口可以对内部闪存重新编程。

　　J1连接器是一个8引脚双列直插式连接器，与CN0300支持硬件随附的USB-SWD/UART板相连。配合J-Link-Lite 板可对此应用电路板进行编程和调试。参见图3。

　　热电偶和RTD产生的信号均非常小，因此需要使用可编程增益放大器（PGA）来放大这些信号。

　　本应用使用的热电偶为T型（铜-康铜），其温度范围为−200°C至+350°C，灵敏度约为40ΩV/°C，这意味着ADC在双极性模式和32倍PGA增益设置下可以覆盖热电偶的整个温度范围。

　　RTD用于冷结补偿。本电路使用的RTD为100Ω铂RTD，型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装，温度变化率为0.385 Ω/°C。

　　注意，基准电阻RREF必须为精密5.6 kΩ （±0.1%）电阻。

　　本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板（PCB）上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考 指南MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”、 指南MT-101——“去耦技术”以及 ADuCM360TCZ评估板布局）。

　　评估本电路所用的PCB如图2所示。

　　图2. 本电路所用的EVAL-CN0300-EB1Z板

　　图3. 连接至USB-SWD/UART板和SEGGER J-Link-Lite板的EVAL-CN0300-EB1Z板

　　图3显示了USB-SWD/UART板。此板用作PC USB端口的接口板。该USB端口可用于通过基于UART的下载器对器件进行编程。它也可用于连接PC上的COM端口（虚拟串行端口）。这是运行校准程序所需要的条件。

　　J-Link-Lite插入USB-SWD/UART板的20引脚连接器中。 J-Link-Lite提供代码调试和编程支持。它通过另一个USB连接器连接至PC。

　　代码说明

　　用于测试本电路的源代码可从 ADuCM360 产品页面下载 （zip压缩文件）。源代码使用示例代码随附的函数库。图4 显示了利用KeilμVision4工具查看时项目中所用的源文件列表。

　　图4. Vision4中查看的源文件

　　代码的校准部分

　　可调整编译器#define值（calibrateADC1和calibrateDAC），以使能或禁用ADC和DAC的校准程序。

　　要校准ADC或DAC，接口板（USB-SWD/UART）必须连接至 J1和PC上的USB端口。可使用“超级终端”等COM端口查看程序来查看校准菜单并逐步执行校准程序。

　　校准ADC时，源代码会提示用户将零电平和满量程电压连接至AIN2和AIN3。注意，AIN2是正输入端。完成校准程序后，ADC1INTGN和ADC1OF寄存器的新校准值就会存储到内部闪存中。

　　校准DAC时，应通过精确的电流表连接VLOOP+输出端。 DAC校准程序的第一部分校准DAC以设置4 mA输出，第二部分则校准DAC以设置20 mA输出。用于设置4 mA和20 mA 输出的DAC代码会存储到闪存中。针对最终的4 mA和20 mA 设置在AIN9处测得的电压也会记录下来并存储到闪存中。由于在AIN9处的电压与流经RLOOP的电流线性相关，因此这些值会用于计算DAC的调整因子。这种闭环方案意味着，可以使用片内24位∑-△型型ADC进行微调而消除DAC和基于晶体管的电路上的所有线性误差。

　　UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本电路直接与PC相连，则可使用“超级终端”等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART的结果，如图5 所示。

　　要输入校准程序所需的字符，请在查看终端中键入所需字符，然后ADuCM360 UART端口就会收到该字符。

　　图5. 校准DAC时的“超级终端”输出

　　代码的温度测量部分

　　要获得温度读数，应测量热电偶和RTD的温度。RTD温度通过一个查找表转换为其等效热电偶电压（T型热电偶请参见ISE， Inc.的ITS-90表）。将这两个电压相加，便可得到热电偶电压的绝对值。

　　首先，测量热电偶两条线之间的电压（V1）。测量RTD电压并通过查找表转换为温度，然后再将此温度转换为其等效热电偶电压（V2）。然后，将V1和V2相加，以得出整体热电偶电压，接着将此值转换为最终的温度测量结果。

　　对热电偶而言，固定数量的电压所对应的温度会存储在一个数组中。其间的温度值利用相邻点的线性插值法计算。

　　图6显示了使用 ADuCM360上的ADC1测量整个热电偶工作范围内的52个热电偶电压时获得的误差。最差情况的总误差小于1°C。

　　图6. 通过分段线性逼近法利用ADuCM360/ADuCM361所测52个校准点时的误差

　　RTD温度是运用查找表计算出来的，并且对RTD的运用方式与对热电偶一样。注意，描述RTD温度与电阻关系的多项式与描述热电偶的多项式不同。

　　有关线性化和实现RTD最佳性能的详细信息，请参考 应用笔记AN-0970“利用ADuC706x微控制器实现RTD接口和线性化”。

　　代码的温度至电流输出部分

　　测得最终温度后，将DAC输出电压设置为适当的值，以便在RLOOP上产生所需的电流。输入温度范围应该是−200°C 至+350°C。代码针对−200°C和+350°C设置的输出电流分别是4 mA和20 mA。代码实施的是闭环方案，如图7所示，其中AIN9上的反馈电压通过ADC0测量，然后此值用于补偿 DAC输出设置。FineTuneDAC（void）函数执行此项校正。

　　为获得最佳结果，应在开始该电路的性能测试前校准 DAC。

　　图7. 闭环控制4 mA至20 mA的DAC输出

　　出于调试目的，以下字符串会在正常工作期间发送至 UART（见图8）。

　　图8. 用于调试的UART字符串

　　常见变化

　　对于标准UART至RS-232接口，可以用 ADM3202等器件代替FT232R收发器，前者需采用3 V电源供电。对于更宽的温度范围，可以使用不同的热电偶，例如J型热电偶。为使冷结补偿误差最小，可以让一个热敏电阻与实际的冷结接触，而不是将其放在PCB上。

　　针对冷结温度测量，可以用一个外部数字温度传感器来代替RTD和外部基准电阻。例如， ADT7410 可以通过I2C接口连接到ADuCM360。

　　有关冷结补偿的更多详情，请参考ADI公司的《传感器信号调理》第7章“温度传感器”。

　　如果USB连接器与本电路之间需要隔离，则必须增加 ADuM3160/ ADuM4160 隔离器件。

　　电路功能与优势

　　本电路显示如何在精密热电偶温度监控应用中使用精密模拟微控制器ADuCM360/ADuCM361。ADuCM360/ADuCM361集成双通道24位-型模数转换器（ADC）、双通道可编程电流源、12位数模转换器（DAC）、1.2 V内部基准电压源、ARM Cortex-M3内核、126 kB闪存、8 kB SRAM以及各种数字外设，例如UART、定时器、SPI和I2C接口等。

　　在本电路中，ADuCM360/ADuCM361连接到一个热电偶和一个100 铂电阻温度检测器（RTD）。RTD用于执行冷结补偿。

　　在源代码中，ADC采样速率选择4 Hz。当ADC输入可编程增益放大器（PGA）的增益配置为32时，ADuCM360/ADuCM361的无噪声代码分辨率大于18位。

　　图1. ADuCM360/ADuCM361用作温度监控控制器与热电偶接口（原理示意图，未显示所有连接）

　　电路描述

　　本应用中用到ADuCM360/ADuCM361的下列特性：

　　- 在软件中，为热电偶和RTD配置了32倍PGA增益的24位∑-△型ADC。ADC1在热电偶信号采样与RTD电压信号采样之间连续切换。

　　- 可编程激励电流源，用来驱动受控电流流经RTD。双通道电流源可在0A至2mA范围内配置。本例使用200A设置，以便将RTD自热效应引起的误差降至最小。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置1.2V基准电压源。它的内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。

　　- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置外部电压基准电压源。它可测量RTD电阻；采用比率式设置，将一个外部基准电阻（RREF）连接在外部VREF+和VREF引脚上。

　　- 偏置电压发生器（VBIAS）。VBIAS用于将热电偶共模电压设置为AVDD/2。

　　- ARMCortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了126kB闪存和8kBSRAM存储器，用来运行用户代码，可配置并控制ADC，通过RTD处理ADC转换，以及控制UART/USB接口的通信。

　　- UART用作与PC主机的通信接口。

　　- 两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使SD处于低电平，同时切换RESET按钮，ADuCM360/ADuCM361便进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，通过UART接口可以对内部闪存重新编程。

　　热电偶和RTD产生的信号均非常小，因此需要使用PGA来放大这些信号。

　　本应用使用的热电偶为T（铜-康铜）型，其温度范围为−200°C至+350°C。灵敏度约为40V/°C，这意味着ADC在双极性模式和32倍PGA增益设置下可以覆盖热电偶的整个温度范围。

　　RTD用于执行冷结补偿。本电路使用铂100ΩRTD，型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装。温度变化率为0.385Ω/°C。

　　注意，基准电阻RREF应为精密5.6kΩ （±0.1%）电阻。

　　ADuCM360/ADuCM361的USB接口通过FT232R UART转USB收发器实现，它将USB信号直接转换为UART。

　　除图1所示的去耦外，USB电缆本身还须采用铁氧体磁珠来增强EMI/RFI保护功能。本电路所用铁氧体磁珠为Taiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz时的阻抗为1000Ω。

　　本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板（PCB）上。为实现最佳性能，应采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——实现数据转换器的接地并解开“AGND”和“DGND”的谜团、教程MT-101——去耦技术、以及ADuCM360TCZ评估板布局）。

　　评估该电路所用的PCB如图2所示。

　　图2. 本电路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

　　代码说明

　　用于测试本电路的源代码可从ADuCM360产品页面下载（zip压缩文件）。

　　UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本电路直接与PC相连，则可以使用“超级终端” （HyperTerminal）等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART的结果，如图3所示。

　　图3.“超级终端”通信端口查看程序的输出

　　测量热电偶和RTD的温度，以获得温度读数。通过查找表，将RTD温度转换为它的等效热电偶电压（可查看ISE公司的ITS-90 T型热电偶表）。这两个电压相加以得出热电偶的绝对温度值。

　　首先，V1是热电偶两条线之间测得的电压。通过查找表，测量RTD电压并转换为温度值；然后，该温度值再转换为它的等效热电偶电压（V2）。随后，V1和V2相加得出总热电偶电压值，此数值经转换后作为最终的温度测量值。

　　图4. 使用简单线性逼近法时的误差

　　最初，这一转换是基于一个简单的线性假设：热电偶的温度为40V/°C。从图4可以看出，只有针对0°C左右的小范围温度，如此转换所产生的误差才是可以接受的。计算热电偶温度的更好方法是对正温度使用6阶多项式，对负温度使用7阶多项式。这需要进行数学运算，导致计算时间和码字大小增加。适当的折衷是针对固定数量的电压计算相应的温度，然后将这些温度存储在一个数组中，其间的值利用相邻点的线性插值法计算。从图5可以看出，使用这种方法时误差显著降低。图5表示使用理想热电偶电压的算法误差。

　　图5. 使用分段线性逼近法时的误差

　　图6表示在ADuCM360上采用ADC1测量全热电偶工作范围内的52个热电偶电压，所产生的误差。整体最大的误差为<1°C。

　　图6. 使用分段线性逼近法时的误差（采用ADuCM360/ADuCM361测量的52个校准点）

　　像热电偶一样，RTD温度可使用查找表的方法计算与实现。注意，描述RTD温度与电阻关系的多项式与描述热电偶的多项式不同。

　　欲了解有关线性化和实现RTD最佳性能的详细信息，请参考应用笔记AN-0970：利用ADuC706x微控制器实现RTD接口和线性化。

　　常见变化

　　ADP1720 可以代替ADP120调节器，前者具有同样的工作温度范围（−40°C至+125°C），功耗更低（典型值为35A，后者为70A）且具有更低的最大输入电压。请注意，ADuCM360/ADuCM361可以通过标准串行线接口编程或调试。

　　对于标准UART至RS-232接口，可以用ADM3202等器件代替FT232R收发器，前者需采用3 V电源供电。对于更宽的温度范围，可以使用其它热电偶，例如J型热电偶。为使冷结补偿误差最小，可以让一个热敏电阻与实际的冷结接触，而不是把它放在PCB上。

　　针对冷结温度测量，可以用一个外部数字温度传感器来代替RTD和外部基准电阻。例如，ADT7410可以通过I2C接口连接到ADuCM360/ADuCM361。

　　有关冷结补偿的更多信息，请参阅ADI公司的《信号调理》第7章“温度传感器”。

　　如果USB连接器与本电路之间需要隔离，则应增加隔离器件ADuM3160/ADuM4160。