構建4~20mA環路供電型溫度監控器

連接/參考器件

ADuCM360：集成雙通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的精密模擬微控制器

ADuCM361：集成單通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的精密模擬微控制器

ADP1720：50 mA、高壓、微功耗線性穩壓器

OP193：精密、微功耗單通道運算放大器

ADR3412：微功耗、高精度1.2 V基準電壓源

評估和設計支持

電路評估板

CN-0319電路評估板(EVAL-CN0319-EB1Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優勢

圖1所示電路是一款完整的環路供電型熱電偶溫度測量系統，使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4 mA至20 mA輸出電流。

圖1. ADuCM360控制4 mA至20 mA基于環路的溫度監控電路（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

本電路將絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器ADuCM360上，包括雙通道24位Σ-Δ型ADC、ARM Cortex-M3處理器內核以及用于控制環路電壓高達28 V的4 mA至20 mA環路的PWM/DAC特性，提供一種低成本溫度監控解決方案。

其中，ADuCM360連接到一個T型熱電偶和一個100 Ω鉑電阻溫度檢測器(RTD)。RTD用于冷結補償。低功耗Cortex-M3內核將ADC讀數轉換為溫度值。支持的T型熱電偶溫度范圍是-200℃至+350℃，而此溫度范圍所對應的輸出電流范圍是4 mA至20 mA。

本電路與電路筆記CN-0300中描述的電路相似，但本電路具有以更高分辨率的PWM驅動4 mA至20 mA環路的優勢?；赑WM的輸出提供14位分辨率。有關溫度傳感器與ADC的接口，以及RTD測量的線性化技巧詳細信息，請參考電路筆記CN-0300和應用筆記AN-0970。

電路描述

電路采用線性穩壓器ADP1720供電，可將環路加電源調節至3.3 V，為ADuCM360、運算放大器OP193和可選基準電壓源ADR3412提供電源。

溫度監控器

本部分電路與CN-0300(《提供4 mA至20 mA輸出的完整閉環精密模擬微控制器熱電偶測量系統》)中描述的溫度監控器電路相似，使用ADuCM360的下列特性：

● 24位Σ-Δ型ADC內置PGA，在軟件中為熱電偶和RTD設置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續切換。

● 可編程激勵電流源驅動受控電流流過RTD。雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內以一定的階躍進行配置。本例使用200 μA設置，以便將RTD自熱效應引起的誤差降至最小。

● ADuCM360中的ADC內置了1.2 V基準電壓源。內部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

● ADuCM360中ADC的外部基準電壓源。測量RTD電阻時，我們采用比率式設置，將一個外部基準電阻(RREF)連接在外部VREF+和VREF-引腳上。由于該電路中的基準電壓源為高阻抗，因此需要使能片內基準電壓輸入緩沖器。片內基準電壓緩沖器意味著無需外部緩沖器即可將輸入泄漏影響降至最低。

● 偏置電壓發生器(VBIAS)。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設置為AVDD_REG/2 (900 mV)。同樣，這樣便無需外部電阻，便可以設置熱電偶共模電壓。

● ARM Cortex-M3內核。功能強大的32位ARM內核集成了126 KB閃存和8 KB SRAM存儲器，用來運行用戶代碼，可配置和控制ADC，并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉換為最終的溫度值。它還可控制PWM輸出，驅動4mA至20 mA環路。出于額外調試目的，它還可以控制UART/USB接口上的通信。

通信

● 使用OP193對16位PWM輸出進行外部緩沖，并控制外部NPN晶體管BC548。通過控制此晶體管的VBE電壓，可將經過47.5 Ω負載電阻的電流設置為所需的值。這樣就針對4 mA至20 mA輸出提供優于±0.5℃的精度（–200℃至+350℃，參考測試結果）。

● 使用內部DAC為OP193提供1.2 V基準電壓。或者，也可以使用1.2 V精密基準電壓源ADR3412，獲得溫度范圍內更高的精度。該外部基準電壓源功耗與內部DAC相近(~50 μA)。參見“功耗測量測試”部分。

通過ADuCM360片上16位PWM（脈沖寬度調制）控制4 mA至20 mA環路。通過軟件可配置PWM的占空比，以便控制47.5 Ω RLOOP電阻上的電壓，進而設置環路電流。請注意，RLOOP的頂端連接ADuCM360地。RLOOP的底端連接環路地。由于這個原因，ADuCM360、ADP1720、ADR3412和OP193的輸出電流，加上濾波PWM輸出設置的電流，一同流過RLOOP。