CN0145
概览
优势和特点
- 温度监控解决方案
- 与4-20mA控制器接口
- 带集成处理器的24位精密转换
参考资料
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MT-023: ADC架构IV：Σ-Δ型ADC高级概念和应用2013/11/5PDF936 kB
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MT-022: ADC架构III：Σ-Δ型ADC基础2013/11/5PDF289 kB
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CN-01452010/11/18PDF383 kB
电路功能与优势
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。
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。
本电路的重点主要在4 mA至20 mA接口方面。有关RTD传感器与ADC接口和RTD测量结果线性化技术的详细信息，请参考应用笔记 AN-0970(中文版） 和电路笔记CN-0075。
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 Ω 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1.2 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。
| Component | IDD Value at 25°C | IDD Value at 85°C |
| ADuC7060/ADuC7061 ADC0 On, Gain = 32, FADC = 100 Hz CPU speed = 640 kHz (POWCON0 = 0x7C) PWM On. PWMCON1 = 0x100 External reference selected by ADC0. All other peripherals off. Note: Add excitation current value to this figure. Typical value is 200 µA. |
2.45 mA 0.2 mA |
2.74 mA 0.2 mA |
| ADR280, 1.2 V Reference |
12 µA | 15 µA |
| ADP1720, 2.5 V Output Linear Regulator |
200 µA | 300 µA |
| OP193, Low Power Op Amp |
15 µA |
25 µA |
| Remaining Circuitry | 50 µA |
50 µA |
| Total Current Less Excitation Current | 2.73 mA |
3.13 mA |
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。
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。
关于ADC测量性能，请参考AN-970、CN-0075和ADuC7060/ADuC7061数据手册。
| Peripheral of ADuC7060/61 | IDD Value, Typical, 25°C |
| ARM7 Core @ 10.24 MHz 5.12 MHz 2.56 MHz 1.28 MHz 640 kHz 320 kHz 160 kHz 80 kHz |
5.22 mA 4.04 mA 2.7 mA 2 mA 1.674 mA 1.5 mA 1.42 mA 1.38 mA |
| Primary ADC, G = 1 G = 4 G ≥ 128 |
30 µA 440 µA 630 µA |
| Auxiliary ADC |
350 µA |
| DAC | 330 µA |
| PWM | 340 µA |
| SPI | 40 µA |
| UART | 200 µA |
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。