利用精密模拟微控制器构建4mA至20mA环路供电温度监控器

2011-04-11 10:35:21来源: 互联网
电路功能与优势

  该电路提供一种简单的高度集成温度.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4 mA至20 mA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,本电路堪称性价比最高、功耗最低、电路板面积最小的解决方案。高度集成和低功耗特性,使ADuC7060/ADuC7061能够直接采用4 mA至20 mA应用中的环路电源供电。如果ARM7内核在640 kHz下工作,主ADC有效并测量外部RTD温度传感器,PWM控制4 mA至20 mA反馈电路,则整个电路的功耗典型值为3.15 mA。有关功耗的详细信息参见电路描述部分。

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

  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。

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

  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5 mm × 5 mm 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。

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2.5 V,用于ADuC7060/ADuC7061、运算放大器 OP193和可选的基准电压源 ADR280 。

  4 mA-20 mA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47.5 ΩRLOOP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1.2 V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1.2 V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24 mA。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0.7 V。

  量程极限(0 mA至4 mA和20 mA至24 mA)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200 μA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5.62 kΩ参考电阻。选择外部电阻可以进一步降低功耗。有关RTD与ADC接口和ADC结果线性化技术的详细信息,请参考应用笔记AN-0970和电路笔记CN-0075。

  该电路的功耗要求取决于温度监控模块是直接采用4 mA至20 mA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3.6 mA。

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

电路的典型DNL性能

图2. 电路的典型DNL性能

  利用ADC测量点VR12和电路其它点的电压,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0 V至600 mV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24 mA的值,因而无关紧要。

关键字:利用  精密  模拟  构建

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0411/article_5406.html
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