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詳解:4-20mA環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-12-25 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本文為大家?guī)?lái)的是一款14位4-20mA環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖,該電路是一完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng),使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4 mA至20 mA 輸出電流。具有更高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢(shì),支持溫度范圍為−200°C至+350°C的T型熱電偶。

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款完整的環(huán)路供電型熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng),使用精密模擬微控制器的PWM功能控制4 mA至20 mA 輸出電流。

ADuCM360控制4 mA至20 mA基于環(huán)路的溫度監(jiān)控電路

圖1. ADuCM360控制4 mA至20 mA基于環(huán)路的溫度監(jiān)控電路 (原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)

本電路將絕大部分電路功能都集成在精密模擬微控制器 ADuCM360上,包括雙通道24位Σ-Δ型ADC、ARM Cortex ™-M3處理器內(nèi)核以及用于控制環(huán)路電壓高達(dá)28 V的4 mA至 20 mA環(huán)路的PWM/DAC特性,提供一種低成本溫度監(jiān)控解決方案。

其中, ADuCM360連接到一個(gè)T型熱電偶和一個(gè)100Ω鉑電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。RTD用于冷結(jié)補(bǔ)償。低功耗Cortex-M3 內(nèi)核將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度值。支持的T型熱電偶溫度范圍是−200°C至+350°C,而此溫度范圍所對(duì)應(yīng)的輸出電流范圍是4mA至20mA。

本電路具有以更高分辨率的PWM驅(qū)動(dòng)4mA至20mA環(huán)路的優(yōu)勢(shì)?;赑WM的輸出提供14位分辨率。

電路描述

電路采用線性穩(wěn)壓器 ADP1720 供電,可將環(huán)路加電源調(diào)節(jié)至3.3 V,為 ADuCM360、運(yùn)算放大器 OP193和可選基準(zhǔn)電壓源 ADR3412提供電源。
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溫度監(jiān)控器

本部分電路與 CN-0300中描述的溫度監(jiān)控器電路相似,使用 ADuCM360的下列特性:

24位Σ-Δ型ADC內(nèi)置PGA,在軟件中為熱電偶和RTD設(shè)置32的增益。ADC1在熱電偶與RTD電壓采樣之間連續(xù)切換。

可編程激勵(lì)電流源驅(qū)動(dòng)受控電流流過(guò)RTD。雙通道電流源可在0μA至2mA范圍內(nèi)以一定的階躍進(jìn)行配置。本例使用200μA設(shè)置,以便將RTD自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。

ADuCM360中的ADC內(nèi)置了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。

ADuCM360中ADC的外部基準(zhǔn)電壓源。測(cè)量RTD電阻時(shí),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。由于該電路中的基準(zhǔn)電壓源為高阻抗,因此需要使能片內(nèi)基準(zhǔn)電壓輸入緩沖器。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓緩沖器意味著無(wú)需外部緩沖器即可將輸入泄漏影響降至最低。

偏置電壓發(fā)生器(VBIAS)。VBIAS功能用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為AVDD_REG/2 (900 mV)。同樣,這樣便無(wú)需外部電阻,便可以設(shè)置熱電偶共模電壓。

ARM Cortex-M3內(nèi)核。功能強(qiáng)大的32位ARM內(nèi)核集成了 126 KB閃存和8 KB SRAM存儲(chǔ)器,用來(lái)運(yùn)行用戶代碼,可配置和控制ADC,并利用ADC將熱電偶和RTD輸入轉(zhuǎn)換為最終的溫度值。它還可控制PWM輸出,驅(qū)動(dòng)4 mA至 20 mA環(huán)路。出于額外調(diào)試目的,它還可以控制UART/USB 接口上的通信。

通信

使用 OP193對(duì)16位PWM輸出進(jìn)行外部緩沖,并控制外部 NPN晶體管BC548。通過(guò)控制此晶體管的VBE電壓,可將經(jīng)過(guò)47.5Ω負(fù)載電阻的電流設(shè)置為所需的值。這樣就針對(duì) 4 mA至20 mA輸出提供優(yōu)于±0.5°C的精度(–200°C至+350°C,參考測(cè)試結(jié)果)。

使用內(nèi)部DAC為 OP193提供1.2 V基準(zhǔn)電壓?;蛘?,也可以使用1.2 V精密基準(zhǔn)電壓源 ADR3412,獲得溫度范圍內(nèi)更高的精度。該外部基準(zhǔn)電壓源功耗與內(nèi)部DAC相近 (~50 μA)。參見(jiàn)“功耗測(cè)量測(cè)試”部分。

通過(guò) ADuCM360片上16位PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制4 mA至 20 mA環(huán)路。通過(guò)軟件可配置PWM的占空比,以便控制47.5 Ω RLOOP電阻上的電壓,進(jìn)而設(shè)置環(huán)路電流。請(qǐng)注意,RLOOP的頂端連接ADuCM360的地。RLOOP的底端連接環(huán)路的地。由于這個(gè)原因,ADuCM360、ADP1720、ADR3412和OP193的輸出電流,加上濾波PWM輸出設(shè)置的電流,一同流過(guò)RLOOP。

R1和R2的結(jié)點(diǎn)電壓可表示為:

  VR12 = (VRLOOP + VREF) × R2/(R1 + R2) − VRLOOP

環(huán)路建立后:

  VIN = VR12

  由于R1 = R2:

  VIN = (VRLOOP + VREF)/2 − VRLOOP = VREF/2 − VRLOOP /2

  VRLOOP = VREF − 2VIN

當(dāng)VIN = 0時(shí)流過(guò)滿量程電流,此時(shí)VRLOOP = VREF。因此,滿量程電流為VREF/RLOOP,或者≈24 mA。當(dāng)VIN = VREF/2時(shí),無(wú)電流流過(guò)。

VIN處的 OP193 放大器阻抗非常高,并且不會(huì)加載PWM濾波輸出。放大器輸出僅發(fā)生少許變化,約為0.7 V。

范圍邊界處(0 mA至4 mA以及20 mA至24 mA)的性能不重要,因此供電軌處的運(yùn)算放大器性能要求不高。

R1和R2的絕對(duì)值不重要。但是,R1和R2的匹配很重要。

ADC1用于溫度測(cè)量,因此本電路筆記直接適用于只有一個(gè)ADC的ADuCM361。 EVAL-CN0319-EB1Z 評(píng)估板包括標(biāo)記為VR12點(diǎn)的電壓測(cè)量選項(xiàng),測(cè)量時(shí)使用ADuCM360上的 ADC0輸入通道。該ADC測(cè)量可用于PWM控制軟件的反饋,調(diào)節(jié)4 mA至20 mA電流設(shè)置。

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編程、調(diào)試和測(cè)試

UART用作與PC主機(jī)的通信接口。這用于對(duì)片內(nèi)閃存進(jìn)行編程。它還可作為調(diào)試端口,用于校準(zhǔn)濾波PWM輸出。

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 SD處于低電平,同時(shí)切換RESET按鈕, ADuCM360 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。

代碼說(shuō)明

用于測(cè)試本電路的源代碼可從 ADuCM360和ADuCM361產(chǎn)品頁(yè)面下載(zip壓縮文件)。源代碼使用示例代碼隨附的函數(shù)庫(kù)。

顯示了利用KeilμVision4工具查看時(shí)項(xiàng)目中所用的源文件列表

圖2顯示了利用KeilμVision4工具查看時(shí)項(xiàng)目中所用的源文件列表。

溫度監(jiān)控器

ADC1用于熱電偶和RTD上的溫度測(cè)量。本節(jié)代碼拷貝自電路筆記CN-0300。詳情請(qǐng)參見(jiàn)該電路筆記。

通信部分

需調(diào)節(jié)PWM濾波輸出,以便確保最小溫度時(shí)的4mA輸出以及最大溫度時(shí)的20mA輸出。提供校準(zhǔn)程序,使用#define CalibratePWM參數(shù)可輕松包含或移除該程序。

若需校準(zhǔn)PWM,接口板(USB-SWD/UART)必須連接至J1和 PC上的USB端口??墒褂?ldquo;超級(jí)終端”等COM端口查看程序來(lái)查看校準(zhǔn)菜單并逐步執(zhí)行校準(zhǔn)程序。

校準(zhǔn)PWM時(shí),應(yīng)將VLOOP+和VLOOP–輸出端連接至精確的電流表。PWM校準(zhǔn)程序的第一部分調(diào)整DAC以設(shè)置20mA 輸出,第二部分則調(diào)整PWM以設(shè)置20mA輸出。用于設(shè)置 4mA和20mA輸出的PWM代碼會(huì)存儲(chǔ)到閃存中。

UART配置為波特率19200、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HyperTerminal或CoolTerm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。

要輸入校準(zhǔn)程序所需的字符,請(qǐng)?jiān)诓榭唇K端中鍵入所需字符,然后 ADuCM360UART端口就會(huì)收到該字符。

校準(zhǔn)PWM時(shí)的“超級(jí)終端”輸出

圖3. 校準(zhǔn)PWM時(shí)的“超級(jí)終端”輸出

校準(zhǔn)后,演示代碼關(guān)斷UART時(shí)鐘,進(jìn)一步節(jié)省功耗。

校準(zhǔn)系數(shù)保存在閃存內(nèi),因此不必每次在電路板上電時(shí)運(yùn)行校準(zhǔn)程序,除非VLOOP電平發(fā)生改變。
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代碼流程圖見(jiàn)圖4。

代碼流程圖

圖4. 代碼流程圖

常見(jiàn)變化

該電路包括HART通信尺寸以及外部基準(zhǔn)電壓源尺寸。

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