電路功能與優勢

本電路顯示如何在精密熱電偶溫度監控應用中使用精 密模擬微控制器ADuCM360/ADuCM361。ADuCM360/ADuCM361集成雙通道24位-型模數轉換器（ADC）、雙通道可編程電流源、12位數模轉換器（DAC）、1.2 V內部基準電壓源、ARM Cortex-M3內核、126 kB閃存、8 kB SRAM以及各種數字外設，例如UART、定時器、SPI和I2C接口等。

在本電路中，ADuCM360/ADuCM361連接到一個熱電偶和一個100 鉑電阻溫度檢測器（RTD）。RTD用于執行冷結補償。

在源代碼中，ADC采樣速率選擇4 Hz。當ADC輸入可編程增益放大器（PGA）的增益配置為32時，ADuCM360/ADuCM361的無噪聲代碼分辨率大于18位。

圖1. ADuCM360/ADuCM361用作溫度監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

本應用中用到ADuCM360/ADuCM361的下列特性：

- 在軟件中，為熱電偶和RTD配置了32倍PGA增益的24位∑-△型ADC。ADC1在熱電偶信號采樣與RTD電壓信號采樣之間連續切換。

- 可編程激勵電流源，用來驅動受控電流流經RTD。雙通道電流源可在0A至2mA范圍內配置。本例使用200A設置，以便將RTD自熱效應引起的誤差降至最小。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內置1.2V基準電壓源。它的內部基準電壓源精度高，適合測量熱電偶電壓。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC內置外部電壓基準電壓源。它可測量RTD電阻；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。

- 偏置電壓發生器（VBIAS）。VBIAS用于將熱電偶共模電壓設置為AVDD/2。

- ARMCortex-M3內核。功能強大的32位ARM內核集成了126kB閃存和8kBSRAM存儲器，用來運行用戶代碼，可配置并控制ADC，通過RTD處理ADC轉換，以及控制UART/USB接口的通信。

- UART用作與PC主機的通信接口。

- 兩個外部開關用來強制該器件進入閃存引導模式。使SD處于低電平，同時切換RESET按鈕，ADuCM360/ADuCM361便進入引導模式，而不是正常的用戶模式。在引導模式下，通過UART接口可以對內部閃存重新編程。

熱電偶和RTD產生的信號均非常小，因此需要使用PGA來放大這些信號。

本應用使用的熱電偶為T（銅-康銅）型，其溫度范圍為?200°C至+350°C。靈敏度約為40V/°C，這意味著ADC在雙極性模式和32倍PGA增益設置下可以覆蓋熱電偶的整個溫度范圍。

RTD用于執行冷結補償。本電路使用鉑100ΩRTD，型號為Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表貼封裝。溫度變化率為0.385Ω/°C。

注意，基準電阻RREF應為精密5.6kΩ （±0.1%）電阻。

ADuCM360/ADuCM361的USB接口通過FT232R UART轉USB收發器實現，它將USB信號直接轉換為UART。

除圖1所示的去耦外，USB電纜本身還須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1000Ω。

本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板（PCB）上。為實現最佳性能，應采用適當的布局、接地和去耦技術。

評估該電路所用的PCB如圖2所示。

圖2. 本電路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

代碼說明

用于測試本電路的源代碼可從ADuCM360產品頁面下載（zip壓縮文件）。

UART配置為波特率9600、8數據位、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送給UART的結果，如圖3所示。

圖3.“超級終端”通信端口查看程序的輸出

測量熱電偶和RTD的溫度，以獲得溫度讀數。通過查找表，將RTD溫度轉換為它的等效熱電偶電壓（可查看ISE公司的ITS-90 T型熱電偶表）。這兩個電壓相加以得出熱電偶的 絕對溫度值。

首先，V1是熱電偶兩條線之間測得的電壓。通過查找表，測量RTD電壓并轉換為溫度值；然后，該溫度值再轉換為它的等效熱電偶電壓（V2）。隨后，V1和V2相加得出總熱電 偶電壓值，此數值經轉換后作為最終的溫度測量值。

圖4. 使用簡單線性逼近法時的誤差

最初，這一轉換是基于一個簡單的線性假設：熱電偶的溫度為40V/°C。從圖4可以看出，只有針對0°C左右的小范圍溫度，如此轉換所產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。這需要進行數學運算，導致計算時間和碼字大小增加。適當的折衷是針對固定數量的電壓計算相應的溫度，然后將這些溫度存儲在一個數組中，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5表示使用理想熱電偶電壓的算法誤差。

圖5. 使用分段線性逼近法時的誤差

圖6表示在ADuCM360上采用ADC1測量全熱電偶工作范圍內的52個熱電偶電壓，所產生的誤差。整體最大的誤差為《1°C。

圖6. 使用分段線性逼近法時的誤差（采用ADuCM360/ADuCM361測量的52個校準點）

像熱電偶一樣，RTD溫度可使用查找表的方法計算與實現。注意，描述RTD溫度與電阻關系的多項式與描述熱電偶的多項式不同。

常見變化

ADP1720 可以代替ADP120調節器，前者具有同樣的工作溫度范圍（?40°C至+125°C），功耗更低（典型值為35A，后者為70A）且具有更低的最大輸入電壓。請注意，ADuCM360/ADuCM361可以通過標準串行線接口編程或調試。

對于標準UART至RS-232接口，可以用ADM3202等器件代替FT232R收發器，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。為使冷結補償誤差最小，可以讓一個熱敏電阻與實際的冷結接觸，而不是把它放在PCB上。

針對冷結溫度測量，可以用一個外部數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ADuCM360/ADuCM361。

如果USB連接器與本電路之間需要隔離，則應增加隔離器件ADuM3160/ADuM4160。

電路評估與測試

為測試與評估電路，將熱電偶測量和RTD測量單獨進行評估。

熱電偶測量測試

基本測試設置如圖7。熱電偶與J5相連，必須安裝J1跳線以便對AIN7/VBIAS引腳進行熱電偶共模電壓設置。電路板從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6所示。這種模式下，校準儀代替熱電偶作為電壓源，如圖7所示。為了評估T型熱電偶的整個范圍，利用校準儀設置T型熱電偶?200°C至+350°C的正負溫度范圍之間52個點的等效熱電偶電壓。（可查看ISE公司的ITS-90 T型熱電偶表）。

為評估查找算法的精度，將551電壓讀數（等效溫度范圍：?200°C至+350°C，間隔+1°C）送往溫度計算函數。圖4和圖5表示以線性法和分段線性逼近法計算的誤差。

圖7. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內校準和測試電路的設置

RTD測量測試

為評估RTD電路和線性化源代碼，以精確可調節的源電阻替代板上的RTD。采用儀器為1433-Z Decade Resistor。RTD值在90Ω至140Ω之間，表示的RTD溫度范圍為?25°C至+114°C。

圖8表示測試設置電路，圖9表示RTD測試的誤差結果。

圖8. 用于測量RTD誤差的測試設置

圖9. RTD測量誤差，以°C表示（采用分段線性代碼和ADC0測量）