利用精密模拟微控制器构建4mA至20mA环路供电温度监控器

   电路功能与优势

　　该电路提供一种简单的高度集成温度.解决方案，它可以与4 mA至20 mA主机控制器接口。由于绝大部分电路功能都集成在精密模拟微控制器 ADuC7060/ ADuC7061 中，包括双通道24位Σ-Δ型ADC、ARM7处理器内核以及用于控制4 mA至20 mA反馈电路的DAC/PWM特性，因此本电路是一种成本非常低的温度监控解决方案。

　　ADuC7060/ADuC7061内集成的ADC和其它模拟电路性能优于其它集成模拟电路的微控制器竞争产品。与使用分立ADC和单独微控制器的解决方案相比，本电路堪称性价比最高、功耗最低、电路板面积最小的解决方案。高度集成和低功耗特性，使ADuC7060/ADuC7061能够直接采用4 mA至20 mA应用中的环路电源供电。如果ARM7内核在640 kHz下工作，主ADC有效并测量外部RTD温度传感器，PWM控制4 mA至20 mA反馈电路，则整个电路的功耗典型值为3.15 mA。有关功耗的详细信息参见电路描述部分。

图1. ADuC7061控制4 mA至20 mA环路温度监控电路（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

　　在温度测量的间隙，可以关断ADC和RTD激励电流源，以进一步降低功耗。

　　100 Ω Pt RTD为Enercorp #PCS11503.1。完整电路的精度高于±1°C。此RTD的温度范围为?50°C至+130°C。它采用1206尺寸的SMD封装，温度系数为0.385 Ω/°C。

　　ADuC7060/ADuC7061内部主ADC的峰峰值无噪声码分辨率大于18位。基于PWM的DAC输出提供12位有效分辨率。整个电路的性能将在电路描述部分讨论。

　　ADuC7061采用5 mm × 5 mm 32-LFCSP小型封装，因此整个电路可以放在极小的PCB上，从而进一步降低成本。

　　电路描述

　　本电路由线性调节器 ADP1720 （可调版本）供电，它将环路电源调节至2.5 V，用于ADuC7060/ADuC7061、运算放大器 OP193和可选的基准电压源 ADR280 。

　　4 mA-20 mA反馈电路主要由ADuC7060的片内16位PWM（脉冲宽度调制器）控制。PWM的占空比通过软件配置，以控制47.5 ΩRLOOP电阻上的电压，进而设置环路电流。请注意，RLOOP上方连接到ADuC7060接地，RLOOP下方连接到环路接地。因此，ADuC7060/ADuC7061、ADP1720、ADR280和OP193所引起的电流，以及滤波PWM输出所设置的电流，均流经RLOOP。

　　VREF由1.2 V精密基准电压源ADR280提供。或者，也可以配置ADuC7060/ADuC7061的片内DAC来提供1.2 V基准电压，但使能内部DAC会导致额外的功耗。

　　R1与R2接点电压可以表示为：

　　当VIN = 0时，将产生满量程电流，此时VRLOOP = VREF。因此，满量程电流为VREF/RLOOP，或者约为24 mA。当VIN = VREF/2，无电流流动。

　　VIN时放大器OP193为高阻抗状态，不会构成PWM滤波输出的负载。放大器输出的变化幅度很小，仅约为0.7 V。

　　量程极限（0 mA至4 mA和20 mA至24 mA）处的性能无关紧要；因此，运算放大器不需要在电源轨时具有良好的性能。

　　R1和R2的绝对值无关紧要。不过应注意，R1与R2的匹配度很重要。

　　还应注意利用ADuC7060/ADuC7061上ADC0的输入通道测量VR12点电压的可能性。此ADC测量结果可以用作反馈，以便PWM控制软件调整4 mA至20 mA电流设置。

　　ADuC7060/ADuC7061的主ADC测量RTD上的电压。RTD由片内激励电流源IEXC0激励。建议将激励电流配置为200 μA以降低功耗，测量间隙应将其关闭。主ADC前端的内部PGA增益配置为16或32。RTD测量的基准源可以是内部基准源或外部5.62 kΩ参考电阻。选择外部电阻可以进一步降低功耗。有关RTD与ADC接口和ADC结果线性化技术的详细信息，请参考应用笔记AN-0970和电路笔记CN-0075。

　　该电路的功耗要求取决于温度监控模块是直接采用4 mA至20 mA环路电源供电，还是采用4线式有源环路供电（温度监控模块采用独立电源）。本文假设温度监控模块采用环路电源供电，因此该模块的总功耗不应超过约3.6 mA。

　　为支持低功耗运行，可以对内部POWCON0寄存器进行编程，以降低ADuC7060/ADuC7061内核的工作速度。其最高频率10.28 MHz可以按2的幂（2至128）进行分频。测试期间使用的时钟分频值为16，此时内核速度为640 kHz。主ADC使能时，增益为32。PWM也可使能。所有其它外设均禁用。

　　针对我们的电路和测试设置，表1详细列出了IDD的各项功耗，表2则列出了各种外设的功耗。

　　图2的DNL图显示：在4 mA至20 mA关键范围内，DNL典型值优于0.6 LSB。这些测试在PWM输出端采用二阶滤波器，并使用两个47 kΩ电阻和两个100 nF电容，如图1所示。

图2. 电路的典型DNL性能

　　利用ADC测量点VR12和电路其它点的电压，可以增强PWM输出的性能。这种反馈方法可以用于校准PWM输出，以提供更高精度。

　　请注意，PWM电路仅用来设置0 V至600 mV范围内的输出电压，因此代码数量得以减少。0以上的码代表大于24 mA的值，因而无关紧要。