实验室电路之完整闭环精密模拟微控制器热电偶测量系统

电路功能与优势

本电路在精密热电偶温度监控应用中使用ADuCM360精密模拟微控制器，并相应地控制4 mA至20 mA的输出电流。ADuCM360集成双通道24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)、双通道可编程电流源、12位数模转换器(DAC)、1.2 V内置基准电压源以及ARM Cortex-M3内核、126 KB闪存、8 KB SRAM和各种数字外设，例如UART、定时器、SPI和I2C接口。

在该电路中，ADuCM360连接到一个T型热电偶和一个100 Ω铂电阻温度检测器(RTD)。RTD用于冷结补偿。低功耗Cortex-M3内核将ADC读数转换为实际温度值。支持的T型温度范围是-200℃至+350℃，而此温度范围所对应的输出电流范围是4 mA至20 mA。

该电路为热电偶测量提供了完整的解决方案，所需外部元件极少，并且可针对高达28 V的环路电压采用环路供电。

图1. 具有热电偶接口、用作温度监控器控制器的ADuCM360

电路描述

本应用中用到ADuCM360的下列特性：

●12位DAC输出及其灵活的片内输出缓冲器用于控制外部NPN晶体管BC548。通过控制此晶体管的VBE电压，可将经过47 Ω负载电阻的电流设置为所需的值。

●DAC为12位单调式，但其输出精度通常在3 LSB左右。此外，双极性晶体管引入了线性误差。为提高DAC输出的精度并消除失调和增益端点误差，ADC0会测量反馈电压，从而反映负载电阻(RLOAD)两端的电压。根据此ADC0读数，DAC输出将通过源代码纠正。这样就针对4 mA至20 mA的输出提供了±0.5℃的精度。

●24位Σ-Δ型ADC内置PGA，在软件中为热电偶和RTD设置32的增益。ADC1在热电偶与RTD电压采样之间连续切换。

●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。

●ADuCM360中的ADC内置了1.2 V基准电压源。内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。

●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(R_REF)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。

●偏置电压发生器(VBIAS)。VBIAS功能用于将热电偶共模电压设置为AVDD/2 (900 mV)。同样，这样便无需外部电阻，便可以设置热电偶共模电压。

●ARM Cortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了126 KB闪存和8 KB SRAM存储器，用来运行用户代码，可配置和控制ADC，并利用ADC将热电偶和RTD输入转换为最终的温度值。它还可以利用来自AIN9电压电平的闭环反馈控制并持续监控DAC输出。出于额外调试目的，它还可以控制UART/USB接口上的通信。

●UART用作与PC主机的通信接口。这用于对片内闪存进行编程。它还可作为调试端口，用于校准DAC和ADC。

●两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使SD处于低电平，同时切换RESET按钮，ADuCM360将进入引导模式，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。

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