電路功能與優(yōu)勢(shì)
本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用精密模擬微控制器 ADuC7060/ADuC7061 。ADuC7060/ADuC7061集成雙通道24位Σ-Δ型ADC、雙通道可編程電流源、14位DAC、1.2 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、ARM7內(nèi)核、32 kB閃存、4 kB SRAM以及各種數(shù)字外設(shè)，例如UART、定時(shí)器、SPI和I2C接口等。
在本電路中，ADuC7060/ADuC7061連接到一個(gè)熱電偶和一個(gè)100 Ω Pt RTD。RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。
在源代碼中，ADC采樣速率選擇100 Hz。當(dāng)ADC輸入PGA的增益配置為32時(shí)，ADuC7060/ADuC7061的無(wú)噪聲分辨率大于18位。
圖1. ADuC7060/ADuC7061用作溫度監(jiān)控控制器與熱電偶接口（原理示意圖，未顯示所有連接）
電路描述
本應(yīng)用中用到ADuC7060/ADuC706的下列特性：
•內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)的24位Σ-Δ型主ADC：PGA的增益在本應(yīng)用的軟件中設(shè)置為32。主ADC在熱電偶信號(hào)采樣與RTD電壓信號(hào)采樣之間連續(xù)切換。
•可編程激勵(lì)電流源，用來(lái)驅(qū)動(dòng)受控電流流經(jīng)RTD：雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內(nèi)以200 μA步進(jìn)配置。本例使用200 μA設(shè)置，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。
•ADuC7060/ADuC7061中ADC的內(nèi)置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。
•ADuC7060/ADuC7061中ADC的外部基準(zhǔn)電壓源：為了測(cè)量RTD電阻，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。
•14位DAC：DAC用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為地電壓以上850 mV。
•ARM7TDMI® 內(nèi)核：功能強(qiáng)大的16/32位ARM7內(nèi)核集成了32 kB閃存和SRAM存儲(chǔ)器，用來(lái)運(yùn)行用戶(hù)代碼，可配置并控制ADC，通過(guò)RTD處理ADC轉(zhuǎn)換，以及控制UART/USB接口的通信。
•UART：UART用作與PC主機(jī)的通信接口。
•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S1處于低電平，同時(shí)切換S2，ADuC7060/ADuC7061將進(jìn)入引導(dǎo)模式，而不是正常的用戶(hù)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。
熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號(hào)均非常小，因此需要使用PGA來(lái)放大這些信號(hào)。ADuC7060/ADuC7061的輔助ADC不含PGA，因此二者均連接到主ADC，二者之間的切換通過(guò)軟件完成。
本應(yīng)用使用的熱電偶為銅-康銅型，其溫度范圍為−200°C至+350°C，靈敏度約為40 μV/°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完整溫度范圍。
RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用的RTD為100 Ω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應(yīng)為精密5.62 kΩ (±0.1%)電阻。
ADuC7060/ADuC7061的USB接口通過(guò)FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，它將USB信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為UART。
除圖1所示的去耦外，USB電纜本身還應(yīng)采用鐵氧體磁珠來(lái)增強(qiáng)EMI/RFI保護(hù)功能。本電路所用鐵氧體磁珠為T(mén)aiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz時(shí)的阻抗為1000 Ω。
本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。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)參考教程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)”、 教程MT101——“去耦技術(shù)”和 ADuC7060/ ADuC7060/ADuC7061評(píng)估板布局布線 ）。
圖2所示為EVAL-ADUC7061MKZ PCB。
圖2. 本電路所用的EVAL-ADUC7061MKZ板
代碼說(shuō)明
用于測(cè)試本電路的源代碼可從以下網(wǎng)址下載（zip壓縮文件）：http://www.analog.com/CN0214-SourceCode
UART配置為波特率9600、8數(shù)據(jù)位、無(wú)極性、無(wú)流量控制。如果本電路直接與PC相連，則可以使用“超級(jí)終端”(HyperTerminal)等通信端口查看程序來(lái)查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果，如圖3所示。
圖3. “超級(jí)終端”通信端口查看程序的輸出
為了獲得溫度讀數(shù)，必須測(cè)量熱電偶和RTD的溫度，然后相加以得出熱電偶的絕對(duì)溫度值。
首先，必須將熱電偶兩條線之間測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為溫度。最初，這一轉(zhuǎn)換是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的線性假設(shè)：熱電偶的溫度為40 μV/°C。從圖4可以看出，只有針對(duì)0°C左右的小范圍溫度，如此轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的誤差才是可以接受的。計(jì)算熱電偶溫度的更好方法是對(duì)正溫度使用6階多項(xiàng)式，對(duì)負(fù)溫度使用7階多項(xiàng)式。這需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和碼字大小增加。適當(dāng)?shù)恼壑允轻槍?duì)固定數(shù)量的電壓計(jì)算相應(yīng)的溫度，然后將這些溫度存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，其間的值利用相鄰點(diǎn)的線性插值法計(jì)算。從圖5可以看出，使用這種方法時(shí)誤差顯著降低。
圖4. 使用簡(jiǎn)單線性逼近法時(shí)的誤差
圖5. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差（52個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)）
RTD溫度利用線性逼近法計(jì)算，因?yàn)镽TD的工作范圍有限，非線性因素不會(huì)引起明顯的誤差。或者，也可以像熱電偶一樣，對(duì)RTD運(yùn)用查找表。注意，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項(xiàng)式與描述熱電偶的多項(xiàng)式不同。
欲了解有關(guān)線性化和實(shí)現(xiàn)RTD最佳性能的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記 AN-0970：“利用ADuC706x微控制器實(shí)現(xiàn)RTD接口和線性化”。
常見(jiàn)變化
ADP3333-2.5可以代替 ADP120-2.5穩(wěn)壓器，前者具有更寬的工作溫度范圍（−40°C至+125°C），功耗更低（典型值為20 μA，而后者為70 μA），但最大輸入電壓較低（前者為5.5 V，后者為12 V）。如果微控制器上需要更多GPIO引腳，則可以選擇采用48引腳LFCSP或48引腳LQFP封裝的ADuC7060。請(qǐng)注意，ADuC7060/ADuC7061可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口編程或調(diào)試。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)UART至RS-232接口，可以用 ADM3202等器件代替FT232R收發(fā)器，前者需采用3 V電源供電。對(duì)于更寬的溫度范圍，可以使用其它熱電偶，例如J型熱電偶。為使冷結(jié)補(bǔ)償誤差最小，可以讓一個(gè)熱敏電阻與實(shí)際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上。
針對(duì)冷結(jié)溫度測(cè)量，可以用一個(gè)外部數(shù)字溫度傳感器來(lái)代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如， ADT7410可以通過(guò)I2C接口連接到ADuC7060/ADuC7061。
有關(guān)冷結(jié)補(bǔ)償?shù)母嘈畔ⅲ?qǐng)參閱ADI公司的《傳感器信號(hào)調(diào)理》第7章“溫度傳感器”。
如果USB連接器與本電路之間需要隔離，則應(yīng)增加隔離器件 ADuM3160/ADuM4160 。
電路評(píng)估與測(cè)試
基本測(cè)試設(shè)置如圖6所示。注意，熱電偶連接到J2-8和J2-9，J2-5必須連接到J2-8。EVAL-ADUC7061MKZ板從PC的USB連接獲得電源。
使用兩種方法來(lái)評(píng)估本電路的性能。首先使用連接到電路板的熱電偶來(lái)測(cè)量冰桶的溫度，然后測(cè)量沸水的溫度。
使用Wavetek 4808多功能校準(zhǔn)儀來(lái)充分評(píng)估誤差，如圖4和圖5所示。這種模式下，校準(zhǔn)儀代替熱電偶作為電壓源，如圖6所示。為了評(píng)估T型熱電偶的整個(gè)范圍，利用校準(zhǔn)儀將等效熱電偶電壓設(shè)置在T型熱電偶−200°C至+350°C正負(fù)溫度范圍之間的52個(gè)點(diǎn)。 （T型熱電偶請(qǐng)參見(jiàn)ITS-90表）
圖6. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試電路的測(cè)試設(shè)置