电路笔记 CN-0145 利用精密模拟微控制器

电路笔记 CN-0145  利用精密模拟微控制器
电路笔记
CN-0145
连接/参考器件
利用 ADI 公司产品进行电路设计
放心运用这些配套产品迅速完成设计。
欲获得更多信息和技术支持,请拨打 4006-100-006 或
访问www.analog.com/zh/circuits 。
ADP1720
基于 ARM7 的微控制器,内置双通
道 24 位Σ-Δ型 ADC、VDAC 和
PWM
2.5 V 输出线性调节器
OP193/OP293
低功耗运算放大器
ADR280
低功耗 1.2 V 基准电压源
ADuC7060/
ADuC7061
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
电路功能与优势
ADuC7060/ADuC7061 内集成的ADC和其它模拟电路性能优
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
于其它集成模拟电路的微控制器竞争产品。与使用分立ADC
以与 4 mA至 20 mA主机控制器接口。由于绝大部分电路功能
和单独微控制器的解决方案相比,本电路堪称性价比最高、
都集成在精密模拟微控制器ADuC7060/ADuC7061中,包括双
功耗最低、电路板面积最小的解决方案。高度集成和低功耗
通道 24 位Σ-Δ型ADC、ARM7 处理器内核以及用于控制 4 mA
特性,使ADuC7060/ADuC7061 能够直接采用 4 mA至 20 mA
至 20 mA反馈电路的DAC/PWM特性,因此本电路是一种成
应用中的环路电源供电。如果ARM7 内核在 640 kHz下工作,
本非常低的温度监控解决方案。
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)
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“Circuits from the Lab” 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 to any cause whatsoever connected to the use of any “Circuit from the
Lab”. (Continued on last page)
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电路笔记
CN-0145
在温度测量的间隙,可以关断 ADC 和 RTD 激励电流源,以
当VIN = 0 时,将产生满量程电流,此时VRLOOP = VREF。因此,
进一步降低功耗。
满量程电流为VREF/RLOOP,或者约为 24 mA。当VIN = VREF/2,
100 Ω Pt RTD 为 Enercorp #PCS11503.1。完整电路的精度高
无电流流动。
于±1°C。此 RTD 的温度范围为−50°C 至+130°C。它采用 1206
VIN时放大器OP193 为高阻抗状态,不会构成PWM滤波输出
尺寸的 SMD 封装,温度系数为 0.385 Ω/°C。
的负载。放大器输出的变化幅度很小,仅约为 0.7 V。
ADuC7060/ADuC7061 内部主ADC的峰峰值无噪声码分辨率
量程极限(0 mA 至 4 mA 和 20 mA 至 24 mA)处的性能无关
大于 18 位。基于PWM的DAC输出提供 12 位有效分辨率。整
紧要;因此,运算放大器不需要在电源轨时具有良好的性能。
个电路的性能将在电路描述部分讨论。
R1 和 R2 的绝对值无关紧要。不过应注意,R1 与 R2 的匹配
ADuC7061 采用 5 mm × 5 mm 32-LFCSP 小型封装,因此整个
度很重要。
电路可以放在极小的 PCB 上,从而进一步降低成本。
还应注意利用ADuC7060/ADuC7061 上ADC0 的输入通道测
本电路的重点主要在 4 mA至 20 mA接口方面。有关RTD传感
量VR12点电压的可能性。此ADC测量结果可以用作反馈,以
器与ADC接口和RTD测量结果线性化技术的详细信息,请参
便PWM控制软件调整 4 mA至 20 mA电流设置。
考应用笔记AN-0970和电路笔记CN-0075。
ADuC7060/ADuC7061 的主ADC测量RTD上的电压。RTD由
电路描述
片内激励电流源IEXC0 激励。建议将激励电流配置为 200 μA
本电路由线性调节器ADP1720(可调版本)供电,它将环路
以降低功耗,测量间隙应将其关闭。主ADC前端的内部PGA
电源调节至 2.5 V,用于ADuC7060/ADuC7061、运算放大器
增益配置为 16 或 32。RTD测量的基准源可以是内部基准源
OP193和可选的基准电压源ADR280。
或外部 5.62 kΩ参考电阻。选择外部电阻可以进一步降低功
4 mA-20 mA反馈电路主要由ADuC7060 的片内 16 位PWM
耗。有关RTD与ADC接口和ADC结果线性化技术的详细信
(脉冲宽度调制器)控制。PWM的占空比通过软件配置,以
息,请参考应用笔记AN-0970和电路笔记CN-0075。
控制 47.5 Ω RLOOP电阻上的电压,进而设置环路电流。请注意,
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
RLOOP上方连接到ADuC7060 接地,RLOOP下方连接到环路接
20 mA 环路电源供电,还是采用 4 线式有源环路供电(温度
地。因此,ADuC7060/ADuC7061、ADP1720、ADR280 和OP193
监控模块采用独立电源)。本文假设温度监控模块采用环路
所引起的电流,以及滤波PWM输出所设置的电流,均流经
电源供电,因此该模块的总功耗不应超过约 3.6 mA。
RLOOP。
为支持低功耗运行,可以对内部 POWCON0 寄存器进行编程,
VREF 由 1.2 V 精密基准电压源 ADR280 提供。或者,也可以
以降低 ADuC7060/ADuC7061 内核的工作速度。其最高频率
配置 ADuC7060/ADuC7061 的片内 DAC 来提供 1.2 V 基准电
10.28 MHz 可以按 2 的幂(2 至 128)进行分频。测试期间使
压,但使能内部 DAC 会导致额外的功耗。
用的时钟分频值为 16,此时内核速度为 640 kHz。主 ADC 使
R1 与 R2 接点电压可以表示为:
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。
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电路笔记
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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。
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。
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
图 2. 电路的典型 DNL 性能
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。
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进一步阅读
数据手册和评估板
ADIsimPower Design Tool, Analog Devices.
ADP1720 Data Sheet
CN-0075 Circuit Note, USB Based Temperature Monitor Using the
ADR280 Data Sheet
ADuC7061 Precision Analog Microcontroller and an External RTD.
ADuC7060 Data Sheet
Analog Devices.
ADuC7060 Evaluation Board and Software
Kester, Walt. Sensor Signal Conditioning, Analog Devices, 1999,
ADuC7061 Data Sheet
Chapter 7, Temperature Sensors.
ADuC7061 Evaluation Board and Software
Kester, Walt. Sensor Signal Conditioning, Analog Devices, 1999,
OP193 Data Sheet
Chapter 8, ADCs for Signal Conditioning.
OP293 Data Sheet
Looney, Mike. AN-0970 Application Note, RTD Interfacing and
OP90 Data Sheet
Linearization Using an ADuC706x Microcontroller, Analog
Devices.
修订历史
MT-022 Tutorial, ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics,
2/10—Revision 0: Initial Version
Analog Devices.
MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC
Advanced Concepts and Applications, Analog Devices.
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices.
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices.
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