Обзор

Ресурсы проектирования

Файлы проектирования и интеграции

  • Схема
  • Спецификация
  • Файлы Gerber
  • Файлы PADS
  • Сборочный чертеж
Загрузить файлы проектов 856 kB

Оценочные платы

Буква "Z" в наименовании компонента указывает на соответствие требованиям RoHS. Отмеченные платы нужны для оценки данной схемы

  • EVAL-CN0221-EB1Z ($65.00) USB-Based Temperature Monitor Using the ADuCM360 Precision Analog Microcontroller and an External Thermocouple
Проверка наличия и приобретение

Особенности и преимущества

  • Диапазон измерения температур от -200 °C до +400 °C
  • Прецизионный аналоговый микроконтроллер Cortex M3 с 24-битным сигма-дельта АЦП
  • Система измерения температуры термопары T-типа с компенсацией холодного спая
  • Однокристальное решение

Функции и преимущества схемы

В данной схеме используется прецизионный аналоговый микроконтроллер ADuCM360/ADuCM361, предназначенный для точного измерения температуры термопары. В ADuCM360/ADuCM361 интегрированы два 24-битных сигма-дельта (Σ-Δ) аналого-цифровых преобразователей (АЦП), два программируемых источника тока, 12-битный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и внутренний источник опорного напряжения 1,2 В, а также ядро ARM Cortex-M3, флэш-память объемом 128 КБ, СОЗУ объемом 8 КБ и различные цифровые периферийные устройства, такие как UART, таймеры, SPI и I2C.

В данной схеме ADuCM360/ADuCM361 подключен к термопаре и платиновому резистивному датчику температуры (RTD) сопротивлением 100 Ом. RTD используется для компенсации холодного спая.

В исходном коде выбрана частота дискретизации АЦП, равная 4 Гц. Когда входной усилитель с программируемым усилением (PGA) АЦП настроен на усиление 32, разрешение преобразования полезного сигнала (без шума) ADuCM360/ADuCM361 будет больше 18 бит.


Рисунок 1. ADuCM360/ADuCM361 в качестве контроллера системы мониторинга температуры с подключением термопары (упрощенная схема, все соединения не показаны)

Описание схемы

В этой системе используются следующие функциональные блоки ADuCM360/ADuCM361:

  • 24-битный сигма-дельта АЦП с PGA, коэффициент усиления которого в программном обеспечении установлен на 32 для работы с термопарой и RTD. ADC1 постоянно переключался между измерением напряжения термопары и напряжения RTD.
  • Программируемые источники тока возбуждения для подачи контролируемого тока через резистивный датчик температуры. Два источника тока могут выдавать ток в диапазоне от 0 мкА до 2 мА. В этом примере выходной ток был установлен на 200 мкА, чтобы минимизировать ошибку, вызванную самонагревом RTD.
  • Внутренний источник опорного напряжения 1,2 В для АЦП в ADuCM360/ADuCM361. Он позволяет измерять напряжение термопары, внутренний источник опорного напряжения используется благодаря его высокой точности.
  • Внешний источник опорного напряжения для АЦП в ADuCM360/ADuCM361. Он позволяет измерять сопротивление RTD. В данном случае использовалась ратиометрическая схема, в которой внешний опорный резистор (RREF) был подключен к внешним выводам VREF + и VREF−.
  • Генератор напряжения смещения (VBIAS). VBIAS использовался для установки синфазного напряжения термопары на величину AVDD/2.
  • Ядро ARM Cortex-M3. Мощное 32-битное ядро ARM со встроенной флеш-памятью объемом 128 КБ и SRAM объемом 8 КБ выполняет пользовательский код, который настраивает и управляет АЦП, обрабатывает преобразованные данные АЦП, полученные от RTD, и управляет обменом данными через интерфейс UART/USB.
  • UART использовался в качестве интерфейса для связи с главным компьютером.
  • Два внешних переключателя используются для перевода компонента в режим загрузки с флэш-памяти. Удерживая SD в низком логическом уровне и держа нажатой кнопку RESET, ADuCM360/ADuCM361 можно перевести в режим загрузки вместо обычного пользовательского режима. В режиме загрузки внутреннюю флеш-память можно перепрограммировать через интерфейс UART. 

И термопара, и RTD генерируют очень слабые сигналы, следовательно, для усиления этих сигналов требуется PGA.

В данной системе используется термопара T-типа (медь-константан), работающая в диапазоне температур от -200 °C до + 350 °C. Ее чувствительность составляет примерно 40 мкВ/°C, что означает, что АЦП в биполярном режиме с коэффициентом усиления PGA, равным 32, может проводить измерения во всем температурном диапазоне термопары.

RTD использовался для компенсации холодного спая. В частности, в этой схеме был задействован платиновый резистивный датчик температуры Enercorp PCS 1.1503.1 сопротивлением 100 Ом. Он доступен в корпусе 0805 для поверхностного монтажа. Температурный диапазон этого RTD составляет 0,385 Ом/°C.

Обратите внимание, что опорный резистор RREF с сопротивлением 5,6 кОм должен быть прецизионным (допуск ±0,1%).

Интерфейс USB для связи с ADuCM360/ADuCM361 реализован с помощью микросхемы FT232R, являющейся преобразователем UART-USB, который преобразует сигналы интерфейса USB непосредственно в сигналы интерфейса UART.

В дополнение к развязке, показанной на рисунке 1, сам USB-кабель должен иметь ферритовую бусину для дополнительной защиты от электромагнитных и высокочастотных помех. В этой схеме использовались ферритовые бусины #BK2125HS102-T компании Taiyo Yuden, которые имеют импеданс 1000 Ом при частоте 100 МГц.

Саму схему следует собирать на многослойной печатной плате с большой площадью заземления. В данном случае необходимо организовать правильную маршрутизацию, заземление и развязку с целью достижения оптимальных характеристик (см. руководство MT-031 «Заземление преобразователей данных и решение загадки заземлений AGND и DGND» руководство MT-101 «Методы развязки» и маршрутизация оценочной платы ADuCM360TCZ ).

Печатная плата, используемая для оценки этой схемы, представлена на рисунке 2.


Рисунок 2. Плата EVAL-ADuCM360TCZ, используемая для оценки этой схемы


Описание кода

Ссылку на исходный код, используемый для оценки работы схемы, можно найти в пакете поддержки проектирования CN0221, расположенном по адресу http://www.analog.com/CN0221-DesignSupport.

Интерфейс UART настроен на скорость передачи данных 9600 бод, передачу 8 бит данных без контроля четности и без управления потоком. Если схема подключена непосредственно к ПК, то для просмотра результатов можно использовать приложение для вывода данных коммуникационного порта, такое как HyperTerminal, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Окно приложения HyperTerminal для просмотра передаваемых данных по UART

Чтобы получить данные о температуре, измерьте температуру термопары и RTD. Температура RTD преобразуется в эквивалентное напряжение термопары с помощью справочной таблицы (см. таблицу ITS-90 от ISE Inc для термопары T-типа). Эти два напряжения суммируются, чтобы получить абсолютное значение на термопаре.

Сначала измеряется напряжение между двумя проводами термопары (V1). Затем измеряется напряжение RTD и преобразуется в температуру с помощью справочной таблицы, а затем эта температура преобразуется в эквивалентное напряжение термопары (V2). После этого V1 и V2 складываются, чтобы получить общее напряжение термопары, которое затем преобразуется в окончательный показатель температуры.

Рисунок 4. Погрешность при использовании простой линейной аппроксимации

Изначально эта процедура была проведена с использованием простого линейного закона, подразумевающего, что изменение напряжения на термопаре составляет 40 мкВ/°C. Из рисунка 4 видно, что это дает приемлемую погрешность только для небольшого диапазона в районе 0 °C. Лучшим способом вычисления температуры термопары является использование полинома шестого порядка для положительных температур и полинома седьмого порядка для отрицательных температур. Для этого требуется выполнение математических операций, которые увеличивают время вычислений и размер кода. Подходящим компромиссом является расчет соответствующих температур для фиксированного числа напряжений. Значения этих температур хранятся в массиве, а промежуточные значения вычисляются с использованием линейной интерполяции между соседними точками. Из рисунка 5 видно, что при использовании этого метода погрешность резко уменьшается. На рисунке 5 показана погрешность алгоритма при использовании идеальных напряжений термопары.

Рисунок 5. Погрешность при использовании кусочно-линейной аппроксимации с использованием 52 калибровочных точек и идеальных значений измерения

На рисунке 6 показана погрешность, полученная при использовании АЦП ADC1 в составе ADuCM360 для измерения 52 значений напряжения термопары во всем рабочем диапазоне термопары. Общая погрешность при наихудшем случае составила менее 1 °C.

Рисунок 6. Погрешность при использовании кусочно-линейной аппроксимации с использованием 52 калибровочных точек, полученных с помощью ADuCM360/ADuCM361

Температура RTD рассчитывается с помощью справочных таблиц и определяется для RTD так же, как и для термопары. Обратите внимание, что у RTD есть другой полином, описывающий его температуру как функцию сопротивления.

Подробные сведения о линеаризации и максимальном увеличении эффективности RTD смотрите в примечаниях к применению AN-0970 «Взаимодействие с RTD и линеаризация с использованием микроконтроллера ADuC706x».

Основные варианты исполнения

СтабилизаторADP1720 можно заменить на ADP120, который имеет тот же диапазон рабочих температур (от -40 °C до + 125 °C) и потребляет меньше энергии (в среднем 35 мкА вместо 70 мкА), но имеет более низкое максимальное входное напряжение. Обратите внимание, что ADuCM360/ADuCM361 можно программировать или отлаживать через стандартный последовательный проводной интерфейс.

Для организации стандартного интерфейса UART-RS232 микросхему приемопередатчика FT232R можно заменить таким устройством, как ADM3202, для которого требуется источник питания 3 В. Для обеспечения более широкого диапазона температур можно использовать другую термопару, например, термопару J-типа. Чтобы минимизировать ошибку компенсации холодного спая, можно использовать термистор в контакте непосредственно с холодным спаем, а не размещать его на печатной плате.

Вместо RTD и внешнего опорного резистора для измерения температуры холодного спая можно использовать внешний цифровой датчик температуры. Например, датчик температуры ADT7410 можно подключить к ADuCM360/ADuCM361 через интерфейс I2C.

Для получения дополнительной информации о компенсации холодного спая ознакомьтесь с материалами раздела «Согласование сигнала» (Signal Conditioning) главы 7 «Датчики температуры» (Temperature Sensors) книги Analog Devices.

Если требуется изоляция между разъемом USB и этой цепью, необходимо добавить изолятор ADuM3160/ADuM4160.

Оценивание характеристик и тестирование схем

Чтобы протестировать и оценить схему, оценки результатов измерения температуры и температуры RTD были проведены отдельно.


Оценка результатов измерения показателей термопары

Блок-схема испытательной установки показана на рисунке 7. Термопара подключена к разъему J5, при этом должна быть установлена перемычка J1, чтобы вывод AIN7/VBIAS мог генерировать синфазное напряжение термопары. Печатная плата получает питание от кабеля USB, подключенного к ПК.

Для оценки работы схемы использовались два метода. Первоначально схема была протестирована с термопарой, прикрепленной к плате, и использовалась для измерения температуры ведерка со льдом. Затем ее использовали для измерения температуры кипящей воды.

Для оценки погрешности, представленной на рисунках 4 и 6, использовался многофункциональный калибратор Wavetek 4808. В этом режиме термопара была заменена калибратором, работающим в качестве источника напряжения, как показано на рисунке 7. Для оценки работы схемы во всем диапазоне термопары T-типа использовался калибратор для установки эквивалентного напряжения термопары в 52 точках в диапазоне от -200 °C до + 350 °C, охватывающем области отрицательного и положительного напряжения термопары T-типа.

Для оценки точности алгоритма поиска в функции расчета температуры было передано 551 значений напряжения, эквивалентные температурам в диапазоне от -200 °C до + 350 °C с интервалом + 1 °C. Погрешности были рассчитаны для линейного метода и метода кусочно-линейной аппроксимации, и результаты показаны на рисунках 4 и 5.

Рисунок 7. Испытательная установка, используемая для калибровки и тестирования цепи в полном диапазоне выходного напряжения термопары


Оценка результатов измерения показателей RTD

Чтобы оценить схему с RTD и исходный код линеаризации, RTD на плате был заменен точным регулируемым источником сопротивления. В качестве такого источника использовался декадный резистор 1433-Z. Сопротивление RTD может изменяться в диапазоне от 90 Ом до 140 Ом, что соответствует изменению температуры RTD в диапазоне от -25 °C до +114 °C.

Схема испытательной установки показана на рисунке 8, а результаты измерения погрешностей при испытаниях RTD показаны на рисунке 9.

Рисунок 8. Испытательная установка для определения погрешности измерения RTD

Рисунок 9. Погрешность измерений RTD в °C с использованием кода кусочно-линейной линеаризации и результатов измерений, полученных с помощью ADC0

Образцы

Образцы

Продукт

Описание

Доступный продукт
Модели для образца

ADUCM360 Малопотребляющий прецизионный аналоговый микроконтроллер, ARM Cortex M3 с двумя сигма-дельта АЦП

ADUCM360BCPZ128

ADUCM361 Малопотребляющий прецизионный аналоговый микроконтроллер, ARM Cortex M3 с одним сигма-дельта АЦП

ADUCM361BCPZ128

ADP1720 Высоковольтный, микропотребляющий линейный стабилизатор, выходной ток 50 мА

ADP1720ARMZ-3.3-R7

ADP1720ARMZ-5-R7

ADP1720ARMZ-R7

ADP1720TRMZ-EP

ADP1720TRMZ3.3-EP

ADP1720TRMZ3.3EPR7

ADP1720TRMZ5-EP

ADuCM362 Low Power, Precision Analog Microcontroller with Dual Sigma-Delta ADCs, ARM Cortex-M3

ADUCM362BCPZ128

ADUCM362BCPZ256

ADUCM362TCPZ56EPR7

ADuCM363 Low Power, Precision Analog Microcontroller with Single Sigma-Delta ADC, ARM Cortex-M3

ADUCM363BCPZ128

ADUCM363BCPZ256

Функционирование раздела Покупка возможно только в полной версии сайта
Оценочные платы Цена указана за одну единицу.
Назад
Проверить наличие
Через сайт Analog.com можно приобрести не более двух оценочных плат. Чтобы заказать более двух оценочных плат, пожалуйста, совершайте покупку через наших дистрибьюторов.
Цены указаны за одну штуку, в долларах США, на условиях ФОБ. Являются рекомендованными розничными ценами в США, приведены только для примерного расчета и могут меняться. Международные цены могут отличаться на величину местных пошлин, налогов, сборов и курсов валют.