CN0145

利用精密模拟微控制器ADuC7060/ADuC7061构建4 mA至20 mA环路供电温度监控器
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电路功能与优势

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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。

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

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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:

cn0145_equation1

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。

Table 1. Typical IDD Values for Components of Temperature 
Monitor Circuit  
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 3  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。



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。

关于ADC测量性能,请参考AN-970、CN-0075和ADuC7060/ADuC7061数据手册。

Table 2. Typical IDD Values for Different Peripherals on the 
ADuC7060/ADuC7061

Peripheral of ADuC7060/61  DD 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

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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。

样片申请及购买

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产品

描述

可提供样片的
产品型号

ADUC7060 低功耗、精密模拟微控制器、双通道Σ-Δ型ADC、Flash/EE、ARM7TDMI

ADUC7060BCPZ32

ADUC7060BSTZ32

ADUC7061 低功耗、精密模拟微控制器、双通道Σ-Δ型ADC,Flash/EE存储器,ARM7TDMI内核

ADUC7061BCPZ32

OP293 精密、微功耗、双通道运算放大器

联络ADI

OP193 精密、微功耗单通道运算放大器

联络ADI

ADP1720 50 mA、高压、微功耗线性稳压器

ADP1720ARMZ-3.3-R7

ADP1720ARMZ-5-R7

ADP1720ARMZ-R7

ADP1720TRMZ-EP

ADP1720TRMZ3.3EPR7

ADR280 1.2 V超低功耗、高PSRR基准电压源

联络ADI