基于 ADuCM360的熱電偶溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電路功能與優(yōu)勢(shì)
         本電路在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用 ADuCM360精密模擬微控制器，并相應(yīng)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(zhǔn)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(shè)，例如UART、定時(shí)器、SPI和I2C接口。
          在該電路中， ADuCM360連接到一個(gè)T型熱電偶和一個(gè)100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)換為實(shí)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(duì)應(yīng)的輸出電流范圍是4 mA至20 mA。
該電路為熱電偶測(cè)量提供了完整的解決方案，所需外部元件極少，并且可針對(duì)高達(dá)28 V的環(huán)路電壓采用環(huán)路供電。

電路描述
本應(yīng)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(guò)控制此晶體管的VBE電壓，可將經(jīng)過(guò)47Ω負(fù)載電阻的電流設(shè)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(diǎn)誤差，ADC0會(huì)測(cè)量反饋電壓，從而反映負(fù)載電阻(RLOAD)兩端的電壓。根據(jù)此ADC0讀數(shù)，DAC輸出將通過(guò)源代碼糾正。這樣就針對(duì)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(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(guò)RTD。雙通道電流源可在0μA至2 mA范圍內(nèi)以一定的階躍進(jìn)行配置。本例使用200μA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(wú)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/2 (900 mV)。同樣，這樣便無(wú)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 KBSRAM存儲(chǔ)器，用來(lái)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。它還可以利用來(lái)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(jī)的通信接口。這用于對(duì)片內(nèi)閃存進(jìn) 行編程。它還可作為調(diào)試端口，用于校準(zhǔn)DAC和ADC。
兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)用來(lái)強(qiáng)制該器件進(jìn)入閃存引導(dǎo)模式。使 SD處于低電平，同時(shí)切換RESET按鈕， ADuCM360將進(jìn) 入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下， 通過(guò)UART接口可以對(duì)內(nèi)部閃存重新編程。
J1連接器是一個(gè)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(duì)此應(yīng)用電路板進(jìn)行編程和調(diào)試。參見(jiàn)圖3。
熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號(hào)均非常小，因此需要使用可編程增益放大器(PGA)來(lái)放大這些信號(hào)。
本應(yīng)用使用的熱電偶為T(mén)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(shè)置下可以覆蓋熱電偶的整個(gè)溫度范圍。
RTD用于冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用的RTD為100Ω鉑RTD，型號(hào)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)(請(qǐng)參考 指南MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接 地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”、指南MT-101——“去耦 技術(shù)”以及 ADuCM360TCZ評(píng)估板布局)。

附件內(nèi)容包括：

電路設(shè)計(jì)原理圖和PCB的PDF檔；

gerber文件和材料清單；

電路筆記CN-0300；