ADuC7060/ADuC7061构建高度集成温度监控器解决方案

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 该电路提供一种简单的高度集成温度监控器解决方案,它可以与4 mA至20 mA主机控制器接口。由于绝大部分电路功能都集成在精密模拟微控制器ADuC7060/ADuC7061中,包括双通道24位Σ-Δ型ADC、ARM7处理器内核以及用于控制4mA至20mA反馈电路的DAC/PWM特性,因此本电路是一种成本非常低的温度监控解决方案。

ADuC7060/ADuC7061内集成的ADC和其它模拟电路性能优于其它集成模拟电路的微控制器竞争产品。与使用分立ADC和单独微控制器的解决方案相比,本电路性价比高、功耗低、电路板面积小。高度集成和低功耗特性使ADuC7060/ADuC7061能够直接采用4mA至20mA应用中的环路电源供电。如果ARM7内核在640kHz下工作,主ADC有效并测量外部RTD温度传感器,PWM控制4mA至20mA反馈电路,则整个电路的功耗典型值为3.15mA。有关功耗的详细信息参见电路描述部分。

在温度测量的间隙,可以关断ADC和RTD激励电流源,以进一步降低功耗。

100Ω Pt RTD为Enercorp PCS11503.1。完整电路的精度高于±1℃。此RTD的温度范围为-50℃至+130℃。它采用1206尺寸的SMD封装,温度系数为0.385 Ω/û℃。

ADuC7060/ADuC7061内部主ADC的峰峰值无噪声码分辨率大于18位。基于PWM的DAC输出提供12位有效分辨率。整个电路的性能将在电路描述部分讨论。

ADuC7061采用5mm×5mm 32-LFCSP小型封装,因此整个电路可以放在极小的PCB上,从而进一步降低成本。


图1 ADuC7061控制4mA至20mA环路温度监控电路(原理示意图,未显示去耦和所有连接)

电路描述

本电路由线性调节器ADP1720(可调版本)供电,它将环路电源调节至2.5V,用于ADuC7060/ADuC7061、运算放大器OP193和可选的基准电压源ADR280。

4mA~20mA反馈电路主要由ADuC7060的片内16位PWM(脉冲宽度调制器)控制。PWM的占空比通过软件配置,以控制47.5Ω RLOOP电阻上的电压,进而设置环路电流。请注意,RLOOP上方连接到ADuC7060接地,RLOOP下方连接到环路接地。因此,ADuC7060/ADuC7061、ADP1720、ADR280和OP193所引起的电流,以及滤波PWM输出所设置的电流,均流经RLOOP。

VREF由1.2V精密基准电压源ADR280提供。或者,也可以配置ADuC7060/ADuC7061的片内DAC来提供1.2V基准电压,但使能内部DAC会导致额外的功耗。

R1与R2接点电压可以表示为:

 

当VIN=0时,将产生满量程电流,此时VRLOOP=VREF。因此,满量程电流为VREF/RLOOP,或者约为24mA。当VIN=VREF/2,无电流流动。

VIN时放大器OP193为高阻抗状态,不会构成PWM滤波输出的负载。放大器输出的变化幅度很小,仅约为0.7V。

量程极限(0mA至4mA和20mA至24mA)处的性能无关紧要;因此,运算放大器不需要在电源轨时具有良好的性能。

R1和R2的绝对值无关紧要。不过应注意,R1与R2的匹配度很重要。 还应注意利用ADuC7060/ADuC7061上ADC0的输入通道测量VR12点电压的可能性。此ADC测量结果可以用作反馈,以便PWM控制软件调整4 mA至20 mA电流设置。

ADuC7060/ADuC7061的主ADC测量RTD上的电压。RTD由片内激励电流源IEXC0激励。建议将激励电流配置为200μA以降低功耗,测量间隙应将其关闭。主ADC前端的内部PGA增益配置为16或32。RTD测量的基准源可以是内部基准源或外部5.62kΩ参考电阻。选择外部电阻可以进一步降低功耗。

该电路的功耗要求取决于温度监控模块是直接采用4mA至20mA环路电源供电,还是采用4线式有源环路供电(温度监控模块采用独立电源)。本文假设温度监控模块采用环路电源供电,因此该模块的总功耗不应超过约3.6mA。

为支持低功耗运行,可以对内部POWCON0寄存器进行编程,以降低ADuC7060/ADuC7061内核的工作速度。其最高频率10.28MHz可以按2的幂(2至128)进行分频。测试期间使用的时钟分频值为16,此时内核速度为640 kHz。主ADC使能时,增益为32。PWM也可使能。所有其它外设均禁用。

针对我们的电路和测试设置,表1详细列出了IDD的各项功耗,表2则列出了各种外设的功耗。

 

图2的DNL图显示:在4mA至20mA关键范围内,DNL典型值优于0.6LSB。这些测试在PWM输出端采用二阶滤波器,并使用两个47kΩ电阻和两个100nF电容,如图1所示。


图2 电路的典型DNL性能

利用ADC测量点VR12和电路其他点的电压,可以增强PWM输出的性能。这种反馈方法可以用于校准PWM输出,以提供更高精度。

请注意,PWM电路仅用来设置0V至600mV范围内的输出电压,因此代码数量得以减少。0以上的码代表大于24mA的值,因而无关紧要。

常见变化

片内DAC可以代替PWM来实现相同的功能,优势是响应速度更快且成本更低。此时不需要基准电压源ADR280。可以用OP90代替OP193。


应用

• 通信

• 工业与仪器仪表

• 仪器仪表

• 过程控制