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

CN0145 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。 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。 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 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 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。 CN0145 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ADI