電路功能與優(yōu)勢
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,、定時器、SPI和I2C接口等,。
在本電路中,，ADuC7060/ADuC7061連接到一個熱電偶和一個100 Ω Pt RTD。RTD用于執(zhí)行冷結(jié)補償,。
在源代碼中,，ADC采樣速率選擇100 Hz。當ADC輸入PGA的增益配置為32時,，ADuC7060/ADuC7061的無噪聲分辨率大于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在熱電偶信號采樣與RTD電壓信號采樣之間連續(xù)切換,。
•可編程激勵電流源，用來驅(qū)動受控電流流經(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基準電壓源：內(nèi)部基準電壓源精度高,，適合測量熱電偶電壓,。
•ADuC7060/ADuC7061中ADC的外部基準電壓源：為了測量RTD電阻，我們采用比率式設(shè)置,，將一個外部基準電阻(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：功能強大的16/32位ARM7內(nèi)核集成了32 kB閃存和SRAM存儲器,，用來運行用戶代碼,，可配置并控制ADC，通過RTD處理ADC轉(zhuǎn)換,，以及控制UART/USB接口的通信,。
•UART：UART用作與PC主機的通信接口。
•兩個外部開關(guān)用來強制該器件進入閃存引導(dǎo)模式：使S1處于低電平,，同時切換S2,，ADuC7060/ADuC7061將進入引導(dǎo)模式,，而不是正常的用戶模式。在引導(dǎo)模式下,，通過UART接口可以對內(nèi)部閃存重新編程,。
熱電偶和RTD產(chǎn)生的信號均非常小，因此需要使用PGA來放大這些信號,。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)補償。本電路使用的RTD為100 Ω鉑RTD,，型號為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,，基準電阻RREF應(yīng)為精密5.62 kΩ (±0.1%)電阻。
ADuC7060/ADuC7061的USB接口通過FT232R UART轉(zhuǎn)USB收發(fā)器實現(xiàn),，它將USB信號直接轉(zhuǎn)換為UART,。
除圖1所示的去耦外，USB電纜本身還應(yīng)采用鐵氧體磁珠來增強EMI/RFI保護功能,。本電路所用鐵氧體磁珠為Taiyo Yuden #BK2125HS102-T,，它在100 MHz時的阻抗為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,。為實現(xiàn)最佳性能,，必須采用適當?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請參考教程MT-031——“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”,、 教程MT101——“去耦技術(shù)”和 ADuC7060/ ADuC7060/ADuC7061評估板布局布線 ）,。
圖2所示為EVAL-ADUC7061MKZ PCB。
圖2. 本電路所用的EVAL-ADUC7061MKZ板
代碼說明
用于測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、無極性,、無流量控制,。如果本電路直接與PC相連，則可以使用“超級終端”(HyperTerminal)等通信端口查看程序來查看該程序發(fā)送給UART的結(jié)果,，如圖3所示,。
圖3. “超級終端”通信端口查看程序的輸出
為了獲得溫度讀數(shù),，必須測量熱電偶和RTD的溫度，然后相加以得出熱電偶的絕對溫度值,。
首先,，必須將熱電偶兩條線之間測得的電壓轉(zhuǎn)換為溫度。最初,，這一轉(zhuǎn)換是基于一個簡單的線性假設(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,。計算熱電偶溫度的更好方法是對正溫度使用6階多項式，對負溫度使用7階多項式,。這需要進行數(shù)學(xué)運算,，導(dǎo)致計算時間和碼字大小增加。適當?shù)恼壑允轻槍潭〝?shù)量的電壓計算相應(yīng)的溫度,，然后將這些溫度存儲在一個數(shù)組中,，其間的值利用相鄰點的線性插值法計算。從圖5可以看出,，使用這種方法時誤差顯著降低,。
圖4. 使用簡單線性逼近法時的誤差
圖5. 使用分段線性逼近法時的誤差（52個校準點）
RTD溫度利用線性逼近法計算，因為RTD的工作范圍有限,，非線性因素不會引起明顯的誤差,。或者,，也可以像熱電偶一樣,，對RTD運用查找表。注意,，描述RTD溫度與電阻關(guān)系的多項式與描述熱電偶的多項式不同,。
欲了解有關(guān)線性化和實現(xiàn)RTD最佳性能的詳細信息，請參考應(yīng)用筆記 AN-0970：“利用ADuC706x微控制器實現(xiàn)RTD接口和線性化”,。
常見變化
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。請注意，ADuC7060/ADuC7061可以通過標準JTAG接口編程或調(diào)試,。
對于標準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)補償誤差最小,，可以讓一個熱敏電阻與實際的冷結(jié)接觸，而不是把它放在PCB上,。
針對冷結(jié)溫度測量,，可以用一個外部數(shù)字溫度傳感器來代替RTD和外部基準電阻。例如,， ADT7410可以通過I2C接口連接到ADuC7060/ADuC7061,。
有關(guān)冷結(jié)補償?shù)母嘈畔ⅲ垍㈤咥DI公司的《傳感器信號調(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 。
電路評估與測試
基本測試設(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,。
使用兩種方法來評估本電路的性能。首先使用連接到電路板的熱電偶來測量冰桶的溫度,，然后測量沸水的溫度,。
使用Wavetek 4808多功能校準儀來充分評估誤差，如圖4和圖5所示,。這種模式下,，校準儀代替熱電偶作為電壓源，如圖6所示,。為了評估T型熱電偶的整個范圍,，利用校準儀將等效熱電偶電壓設(shè)置在T型熱電偶−200°C至+350°C正負溫度范圍之間的52個點。 （T型熱電偶請參見ITS-90表）
圖6. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準和測試電路的測試設(shè)置