電路功能與優(yōu)勢(shì)
　　本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監(jiān)控應(yīng)用中使用精密模擬微控制器 ADuC7060/ADuC7061 ,。ADuC7060/ADuC7061集成雙通道24位Σ-Δ型ADC,、雙通道可編程電流源,、14位DAC,、1.2 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源,、ARM7內(nèi)核,、32 kB閃存,、4 kB SRAM以及各種數(shù)字外設(shè),，例如UART,、定時(shí)器、SPI和I2C接口等,。
　
　　在本電路中,，ADuC7060/ADuC7061連接到一個(gè)熱電偶和一個(gè)100 Ω Pt RTD。RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償,。
　
　　在源代碼中,，ADC采樣速率選擇100 Hz。當(dāng)ADC輸入PGA的增益配置為32時(shí),，ADuC7060/ADuC7061的無(wú)噪聲分辨率大于18位,。

圖1. ADuC7060/ADuC7061用作溫度監(jiān)控控制器與熱電偶接口（原理示意圖，未顯示所有連接）

電路描述
　　本應(yīng)用中用到ADuC7060/ADuC706的下列特性：
　
　　•內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)的24位Σ-Δ型主ADC：PGA的增益在本應(yīng)用的軟件中設(shè)置為32,。主ADC在熱電偶信號(hào)采樣與RTD電壓信號(hào)采樣之間連續(xù)切換,。
　　•可編程激勵(lì)電流源，用來(lái)驅(qū)動(dòng)受控電流流經(jīng)RTD：雙通道電流源可在0 μA至2 mA范圍內(nèi)以200 μA步進(jìn)配置,。本例使用200 μA設(shè)置,，以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小,。
　　•ADuC7060/ADuC7061中ADC的內(nèi)置1.2 V基準(zhǔn)電壓源：內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測(cè)量熱電偶電壓,。
　　•ADuC7060/ADuC7061中ADC的外部基準(zhǔn)電壓源：為了測(cè)量RTD電阻,，我們采用比率式設(shè)置，將一個(gè)外部基準(zhǔn)電阻(RREF)連接在外部VREF+ 和 VREF− 引腳上,。
　　•14位DAC：DAC用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為地電壓以上850 mV,。
　　•ARM7TDMI® 內(nèi)核：功能強(qiáng)大的16/32位ARM7內(nèi)核集成了32 kB閃存和SRAM存儲(chǔ)器，用來(lái)運(yùn)行用戶代碼,，可配置并控制ADC,，通過(guò)RTD處理ADC轉(zhuǎn)換，以及控制UART/USB接口的通信,。
　　•UART：UART用作與PC主機(jī)的通信接口,。
　　•兩個(gè)外部開(kāi)關(guān)用來(lái)強(qiáng)制該器件進(jìn)入閃存引導(dǎo)模式：使S1處于低電平，同時(shí)切換S2,，ADuC7060/ADuC7061將進(jìn)入引導(dǎo)模式,，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下,，通過(guò)UART接口可以對(duì)內(nèi)部閃存重新編程,。
　
　　熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號(hào)均非常小，因此需要使用PGA來(lái)放大這些信號(hào),。ADuC7060/ADuC7061的輔助ADC不含PGA,，因此二者均連接到主ADC，二者之間的切換通過(guò)軟件完成,。
　
　　本應(yīng)用使用的熱電偶為銅-康銅型,，其溫度范圍為−200°C至+350°C，靈敏度約為40 μV/°C,，這意味著ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設(shè)置下可以覆蓋熱電偶的完整溫度范圍,。
　
　　RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用的RTD為100 Ω鉑RTD,，型號(hào)為Enercorp PCS 1.1503.1,。它采用0805表貼封裝，溫度變化率為0.385 Ω/°C,。
　
　　注意,，基準(zhǔn)電阻RREF應(yīng)為精密5.62 kΩ (±0.1%)電阻。
　
　　ADuC7060/ADuC7061的USB接口通過(guò)FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實(shí)現(xiàn),，它將USB信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為UART,。
　
　　除圖1所示的去耦外，USB電纜本身還應(yīng)采用鐵氧體磁珠來(lái)增強(qiáng)EMI/RFI保護(hù)功能,。本電路所用鐵氧體磁珠為T(mén)aiyo Yuden #BK2125HS102-T,，它在100 MHz時(shí)的阻抗為1000 Ω,。
　
　　本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能,，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”、 教程MT101——“去耦技術(shù)”和 ADuC7060/ ADuC7060/ADuC7061評(píng)估板布局布線 ）,。
　
　　圖2所示為EVAL-ADUC7061MKZ PCB,。

圖2. 本電路所用的EVAL-ADUC7061MKZ板

代碼說(shuō)明
　　用于測(cè)試本電路的源代碼可從以下網(wǎng)址下載（zip壓縮文件）：http://www.analog.com/CN0214-SourceCode
　
　　UART配置為波特率9600、8數(shù)據(jù)位,、無(wú)極性,、無(wú)流量控制。如果本電路直接與PC相連,，則可以使用“超級(jí)終端”(HyperTerminal)等通信端口查看程序來(lái)查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果,，如圖3所示。

圖3. “超級(jí)終端”通信端口查看程序的輸出

　　為了獲得溫度讀數(shù),，必須測(cè)量熱電偶和RTD的溫度,，然后相加以得出熱電偶的絕對(duì)溫度值,。
　
　　首先,，必須將熱電偶兩條線之間測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為溫度。最初,，這一轉(zhuǎn)換是基于一個(gè)簡(jiǎn)單的線性假設(shè)：熱電偶的溫度為40 μV/°C,。從圖4可以看出，只有針對(duì)0°C左右的小范圍溫度,，如此轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的誤差才是可以接受的,。計(jì)算熱電偶溫度的更好方法是對(duì)正溫度使用6階多項(xiàng)式，對(duì)負(fù)溫度使用7階多項(xiàng)式,。這需要進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間和碼字大小增加。適當(dāng)?shù)恼壑允轻槍?duì)固定數(shù)量的電壓計(jì)算相應(yīng)的溫度,，然后將這些溫度存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中,，其間的值利用相鄰點(diǎn)的線性插值法計(jì)算。從圖5可以看出,，使用這種方法時(shí)誤差顯著降低,。

圖4. 使用簡(jiǎn)單線性逼近法時(shí)的誤差

圖5. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差（52個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)）

　　RTD溫度利用線性逼近法計(jì)算，因?yàn)镽TD的工作范圍有限,，非線性因素不會(huì)引起明顯的誤差,。或者,，也可以像熱電偶一樣,，對(duì)RTD運(yùn)用查找表,。注意，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項(xiàng)式與描述熱電偶的多項(xiàng)式不同,。
　
　　欲了解有關(guān)線性化和實(shí)現(xiàn)RTD最佳性能的詳細(xì)信息,，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記 AN-0970：“利用ADuC706x微控制器實(shí)現(xiàn)RTD接口和線性化”。
　
常見(jiàn)變化
　　ADP3333-2.5可以代替 ADP120-2.5穩(wěn)壓器,，前者具有更寬的工作溫度范圍（−40°C至+125°C）,，功耗更低（典型值為20 μA，而后者為70 μA）,，但最大輸入電壓較低（前者為5.5 V,，后者為12 V）。如果微控制器上需要更多GPIO引腳,，則可以選擇采用48引腳LFCSP或48引腳LQFP封裝的ADuC7060,。請(qǐng)注意，ADuC7060/ADuC7061可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口編程或調(diào)試,。
　
　　對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)UART至RS-232接口,，可以用 ADM3202等器件代替FT232R收發(fā)器，前者需采用3 V電源供電,。對(duì)于更寬的溫度范圍,，可以使用其它熱電偶，例如J型熱電偶,。為使冷結(jié)補(bǔ)償誤差最小,，可以讓一個(gè)熱敏電阻與實(shí)際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上,。
　
　　針對(duì)冷結(jié)溫度測(cè)量,，可以用一個(gè)外部數(shù)字溫度傳感器來(lái)代替RTD和外部基準(zhǔn)電阻。例如,， ADT7410可以通過(guò)I2C接口連接到ADuC7060/ADuC7061,。
　
　　有關(guān)冷結(jié)補(bǔ)償?shù)母嘈畔ⅲ?qǐng)參閱ADI公司的《傳感器信號(hào)調(diào)理》第7章“溫度傳感器”,。
　
　　如果USB連接器與本電路之間需要隔離,，則應(yīng)增加隔離器件 ADuM3160/ADuM4160 。
　
電路評(píng)估與測(cè)試
　　基本測(cè)試設(shè)置如圖6所示,。注意,，熱電偶連接到J2-8和J2-9，J2-5必須連接到J2-8,。EVAL-ADUC7061MKZ板從PC的USB連接獲得電源,。
　
　　使用兩種方法來(lái)評(píng)估本電路的性能。首先使用連接到電路板的熱電偶來(lái)測(cè)量冰桶的溫度,，然后測(cè)量沸水的溫度,。
　
　　使用Wavetek 4808多功能校準(zhǔn)儀來(lái)充分評(píng)估誤差,，如圖4和圖5所示。這種模式下,，校準(zhǔn)儀代替熱電偶作為電壓源,，如圖6所示。為了評(píng)估T型熱電偶的整個(gè)范圍,，利用校準(zhǔn)儀將等效熱電偶電壓設(shè)置在T型熱電偶−200°C至+350°C正負(fù)溫度范圍之間的52個(gè)點(diǎn),。 （T型熱電偶請(qǐng)參見(jiàn)ITS-90表）

圖6. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試電路的測(cè)試設(shè)置