CN-0319 电路笔记

CN-0319 电路笔记
电路笔记
CN-0319
连接/参考器件
Circuits from the Lab® reference designs are engineered and
tested for quick and easy system integration to help solve today’s
analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more
information and/or support, visit www.analog.com/CN0319.
ADuCM360
集成双通道Σ-Δ型ADC和
ARM Cortex-M3的精密模拟微控制器
ADuCM361
集成单通道Σ-Δ型ADC和
ARM Cortex-M3的精密模拟微控制器
50 mA、高压、微功耗线性稳压器
ADP1720
精密、微功耗单通道运算放大器
OP193
微功耗、高精度1.2 V基准电压源
ADR3412
采用ARM Cortex-M3的14位、4-20mA环路供电型热电偶温度测量系统
评估和设计支持
电路功能与优势
电路评估板
图1所示电路是一款完整的环路供电型热电偶温度测量系
CN-0319电路评估板(EVAL-CN0319-EB1Z)
统,使用精密模拟微控制器的PWM功能控制4 mA至20 mA
设计和集成文件
输出电流。
原理图、布局文件、物料清单
3.3V
ADP1720-3.3
BEAD
OUT
10µF
3.3V
0.1µF
IN
4V TO 28V
1.6Ω
10µF
10µF
GND
0.1µF
ADR3412
IOVDD
IEXC
RTD
AVDD
OPTIONAL
DAC
VREF = 1.2V
10Ω
0.01µF
10Ω
AIN0
R1
100kΩ
ADuCM360
AIN1
0.01µF
VIN
DVDD
VLOOP+
0.1µF
0.1µF
VR12
OP193
BC548
10kΩ
AIN2
DGND
10nF
10kΩ
47kΩ
PWM
VREF –
10kΩ
THERMOCOUPLE
JUNCTION
47kΩ
VREF +
RREF
5.62kΩ
(0.1%)
VRLOOP
AIN3
RLOOP
47.5Ω
VLOOP–
R2
100kΩ
10nF
AIN7
11386-001
AGND
图1. ADuCM360控制4 mA至20 mA基于环路的温度监控电路
(原理示意图:未显示所有连接和去耦)
Rev. C
Circuits from the Lab® reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog
Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and
construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab
environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and
determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall
Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due
toanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage)
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CN-0319
本电路将绝大部分电路功能都集成在精密模拟微控制器
• 偏置电压发生器(VBIAS)。VBIAS功能用于将热电偶共
ADuCM360上,包括双通道24位Σ-Δ型ADC、ARM Cortex™-M3
模电压设置为AVDD_REG/2 (900 mV)。同样,这样便无
处理器内核以及用于控制环路电压高达28 V的4 mA至20 mA环
需外部电阻,便可以设置热电偶共模电压。
路的PWM/DAC特性,提供一种低成本温度监控解决方案。
• ARM Cortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了
其中,ADuCM360连接到一个T型热电偶和一个100 Ω铂电阻
126 KB闪存和8 KB SRAM存储器,用来运行用户代码,
温度检测器(RTD)。RTD用于冷结补偿。低功耗Cortex-M3
可配置和控制ADC,并利用ADC将热电偶和RTD输入转
内核将ADC读数转换为温度值。支持的T型热电偶温度范
换为最终的温度值。它还可控制PWM输出,驱动4mA至
围是−200°C至+350°C,而此温度范围所对应的输出电流范
20 mA环路。出于额外调试目的,它还可以控制UART/USB
围是4 mA至20 mA。
接口上的通信。
本电路与电路笔记CN-0300中描述的电路相似,但本电路
通信
具有以更高分辨率的PWM驱动4 mA至20 mA环路的优势。
• 使用OP193对16位PWM输出进行外部缓冲,并控制外部
基于PWM的输出提供14位分辨率。有关温度传感器与
NPN晶体管BC548。通过控制此晶体管的VBE电压,可将
ADC的接口,以及RTD测量的线性化技巧详细信息,请参
经过47.5 Ω负载电阻的电流设置为所需的值。这样就针对
考电路笔记CN-0300和应用笔记AN-0970。
4 mA至20 mA输出提供优于±0.5°C的精度(–200°C至+350°C,
参考测试结果)。
电路描述
电路采用线性稳压器ADP1720供电,可将环路加电源调节
• 使用内部DAC为OP193提供1.2 V基准电压。或者,也可
以使用1.2 V精密基准电压源ADR3412,获得温度范围内
至3.3 V,为ADuCM360、运算放大器OP193和可选基准电压
更高的精度。该外部基准电压源功耗与内部DAC相近
源ADR3412提供电源。
(~50 μA)。参见“功耗测量测试”部分。
温度监控器
通过ADuCM360片上16位PWM(脉冲宽度调制)控制4 mA至
本部分电路与CN-0300中描述的温度监控器电路相似,使
20 mA环路。通过软件可配置PWM的占空比,以便控制47.5 Ω
用ADuCM360的下列特性:
RLOOP电阻上的电压,进而设置环路电流。请注意,RLOOP的
• 24位Σ-Δ型ADC内置PGA,在软件中为热电偶和RTD设
顶端连接ADuCM360地。RLOOP的底端连接环路地。由于这
置32的增益。ADC1在热电偶与RTD电压采样之间连续
个原因,ADuCM360、ADP1720、ADR3412和OP193的输
切换。
出电流,加上滤波PWM输出设置的电流,一同流过RLOOP。
• 可编程激励电流源驱动受控电流流过RTD。双通道电流
源可在0 μA至2 mA范围内以一定的阶跃进行配置。本例
使用200 μA设置,以便将RTD自热效应引起的误差降至
最小。
R1和R2的结点电压可表示为:
VR12 = (VRLOOP + VREF) × R2/(R1 + R2) − VRLOOP
环路建立后:
VIN = VR12
• ADuCM360中的ADC内置了1.2 V基准电压源。内部基准
由于R1 = R2:
电压源精度高,适合测量热电偶电压。
VIN = (VRLOOP + VREF)/2 − VRLOOP = VREF/2 − VRLOOP /2
• ADuCM360中ADC的外部基准电压源。测量RTD电阻
时,我们采用比率式设置,将一个外部基准电阻(RREF)
连接在外部VREF+和VREF−引脚上。由于该电路中的基
准电压源为高阻抗,因此需要使能片内基准电压输入缓
冲器。片内基准电压缓冲器意味着无需外部缓冲器即可
将输入泄漏影响降至最低。
VRLOOP = VREF − 2VIN
当VIN = 0时流过满量程电流,此时VRLOOP = VREF。因此,满
量程电流为VREF/RLOOP,或者≈24 mA。当VIN = VREF/2时,无
电流流过。
VIN处的OP193放大器阻抗非常高,并且不会加载PWM滤
波输出。放大器输出仅发生少许变化,约为0.7 V。
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范围边界处(0 mA至4 mA以及20 mA至24 mA)的性能不重要,
• 两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使
因此供电轨处的运算放大器性能要求不高。
SD处于低电平,同时切换RESET按钮,ADuCM360将进
R1和R2的绝对值不重要。但是,R1和R2的匹配很重要。
入引导模式,而不是正常的用户模式。在引导模式下,
通过UART接口可以对内部闪存重新编程。
ADC1用于温度测量,因此本电路笔记直接适用于只有一
个ADC的ADuCM361。EVAL-CN0319-EB1Z评估板包括标
代码说明
记为VR12点的电压测量选项,测量时使用ADuCM360上的
用来测试电路的源代码链接在CN-0319设计支持包中:
ADC0输入通道。该ADC测量可用于PWM控制软件的反
http://www.analog.com/CN0319-DesignSupport
馈,调节4 mA至20 mA电流设置。
用于测试本电路的源代码可从ADuCM360和ADuCM361产
编程、调试和测试
品页面下载(zip压缩文件)。源代码使用示例代码随附的函
• UART用作与PC主机的通信接口。这用于对片内闪存进行
数库。
编程。它还可作为调试端口,用于校准滤波PWM输出。
图2显示了利用Keil μVision4工具查看时项目中所用的源文
11386-002
件列表。
图2. Keil μVision4中查看的源文件
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温度监控器
校准PWM时,应将VLOOP+和VLOOP–输出端连接至精确
ADC1用于热电偶和RTD上的温度测量。本节代码拷贝自
的电流表。PWM校准程序的第一部分调整DAC以设置20 mA
电路笔记CN-0300。详情请参见该电路笔记。
输出,第二部分则调整PWM以设置4 mA输出。用于设置4 mA
和20 mA输出的PWM代码会存储到闪存中。
通信部分
需调节PWM滤波输出,以便确保最小温度时的4 mA输出
UART配置为波特率19200、8数据位、无极性、无流量控
以及最大温度时的20 mA输出。提供校准程序,使用#define
制。如果本电路直接与PC相连,则可以使用HyperTerminal
CalibratePWM参数可轻松包含或移除该程序。
或CoolTerm等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART
若需校准PWM,接口板(USB-SWD/UART)必须连接至J1和
来查看校准菜单并逐步执行校准程序。
要输入校准程序所需的字符,请在查看终端中键入所需字
符,然后ADuCM360 UART端口就会收到该字符。
11386-003
PC上的USB端口。可使用“超级终端”等COM端口查看程序
的结果,如图3所示。
图3. 校准PWM时的“超级终端”输出
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0.2
校准后,演示代码关断UART时钟,进一步节省功耗。
校准系数保存在闪存内,因此不必每次在电路板上电时运
0.1
行校准程序,除非VLOOP电平发生改变。
DNL (LSB)
代码流程图见图4。
START
SYSTEM, ADC AND
PWM INITIALIZATION
CALIBRATION
TYPE?
0
–0.1
11386-005
–0.2
–0.3
MANUAL
CALIBRATION
4
8
12
16
20
OUTPUT CURRENT (mA)
图5. 电路的典型DNL性能
温度-电流输出
DEFAULT OR STORED
CALIBRATION VALUES
图6中的设置用来测试电路的通信部分。
WHILE (1)
UART INTERFACE
+
11386-004
4mA TO 20mA
LOOP CONTROL
VIA PWM
–
INTERFACE
TEMPERATURE TO
CURRENT CALCULATION
GPIB
CURRENT METER
POWER SUPPLY
图4. 代码流程图
11386-006
TEMPERATURE ACQUISITION
图6. 测量设置
常见变化
PC通过UART将温度值发送到ADuCM360,然后ADuCM360
该电路包括HART通信尺寸以及外部基准电压源尺寸。
根据该值调节PWM输出。环路电流经测量并记录。
电路评估与测试
本文档不含温度检测部分,因为这部分内容已在CN-0300
1°C的温度提升相当于:
(20 mA – 4 mA)/550 = 0.029029 mA.
中涉及。本文档重点关注温度-电流输出的性能。
表1. 温度和预期电流
PWM差分非线性(DNL)
首先测量滤波PWM输出的DNL。图5中的DNL曲线显示,
在关键的4 mA至20 mA范围内具有优于0.3 LSB的典型性能。
在PWM输出端利用二阶滤波器执行这些测试。使用两个
47 kΩ电阻和两个100 nF电容,如图1所示。
温度(°C)
−200°C
−199°C
…
+349°C
+350°C
预期电流(mA)
4 mA
4 mA + 0.029029 mA
20 mA至0.029029 mA
20 mA
CN-0300(DAC控制)和CN-0319(PWM控制)中的环路电流测
量误差见图7。
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CN-0319
0.5
表2. 温度监控电路元件的IDD典型值
PWM
OUTPUT ERROR (%FS)
0
–0.5
DAC WITH FEEDBACK
–1.0
–1.5
–2.5
–200
11386-007
–2.0
–100
0
100
200
300
TEMPERATURE (°C)
图7. DAC控制(CN-0300)和PWM控制(CN-0319)
两种情形下电流环路误差与温度读数的关系
元件
25°C时的
IDD值
ADuCM360/ADuCM361
ADC1导通,增益 = 32,FADC = 5 Hz
CPU速度 = 1 MHz
PWM导通。240 Hz
外部基准电压由DAC产生。
该数据的激励电流值。
典型值为200 µA。
禁用所有其他外设。
ADP1720,3.3 V输出线性稳压器
OP193,低功耗运算放大器
其余电路
总电流(激励电流较低)
1.80 mA
~100 µA
15 µA
50 µA
2.0 mA
这些结果显示校准后,无反馈PWM控制环路的精度优于
有关ADuCM360功耗数据的更多详情,请参考应用笔记
有反馈的DAC控制环路。
AN-1111。
若需更高精度,可增加反馈环路。这将需要使用ADuCM360
了解详情
并使能第二个ADC来监控环路。它将增加功耗(ADC0导
CN-0319 Design Support Package:
http://www.analog.com/CN0319-DesignSupport
通),并降低环路的响应速度。
电流环路的更新速率取决于CPU和ADC配置。在示例代码
中,CPU速度设为1 MHz,ADC频率为5 Hz。ADC对结果求
平均值前,先转换RTD和热电偶上的一部分样本。样本数
由参数SAMPLEN0定义。在示例代码中,其默认值设为8。
这将使电流环路的更新速率为740 ms。
如需更快的环路响应时间,可减少SAMPLEN0。
功耗测量测试
正常工作时,整个电路的功耗通常为2 mA。保持在复位状
Kester, Walt. 1999. Sensor Signal Conditioning. Analog Devices.
Chapter 7, "Temperature Sensors."
Kester, Walt. 1999. Sensor Signal Conditioning. Analog Devices.
Chapter 8, "ADCs for Signal Conditioning."
Looney, Mike, Options for Minimizing Power Consumption
When Using the ADuCM360/ADuCM361, AN-1111
Application Note, Analog Devices.
Looney, Mike. RTD Interfacing and Linearization Using an
ADuC706x Microcontroller. AN-0970 Application Note.
Analog Devices.
态时,整个电路的功耗不到550 μA。
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices.
为方便低功耗操作,可编程内部CLKSYSDIV寄存器以降低
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices.
ADuCM360/ADuCM361内核工作速度,使低功耗系统时钟
等于8 MHz。另外,编程CLKCON0寄存器可允许将16 MHz
User Guide UG-457, ADuCM360 Development Systems
Getting Started
内核频率分频至二进制的2至128倍。本示例代码中,使用
8作为时钟分频值,内核速度为1 MHz。
主ADC以增益32使能。还使能PWM和DAC,用于环路通信。
禁用所有未使用的外设,最大程度减少功耗。
表2列出整个电路中的各项IDD功耗。
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CN-0319
数据手册和评估板
ADuCM360 Datasheet
ADuCM361 Datasheet
ADP1720 Datasheet
OP193 Datasheet
ADR3412 Datasheet
修订历史
2014年3月—修订版B至修订版C
更改通信部分 ....................................................................................4
2013年12月—修订版A至修订版B
更改代码描述部分 ...........................................................................3
2013年8月—修订版0至修订版A
更改标题 .............................................................................................1
2013年5月—修订版0: 初始版
(Continued from first page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors.
While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual
property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the
Lab reference designs are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability,
noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties
that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab reference designs at any time without notice but is under no obligation to do so.
©2013–2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
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