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aducm360/aducm361.aducm360/aducm361集成雙通道24位-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）、雙通道可編程電流源、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（dac）、1.2 v內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、arm ctex-m3內(nèi)核、126 kb閃存、8 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，aducm360/aducm361連接到一個(gè)熱電偶和一個(gè)100 鉑電阻溫度檢測(cè)器（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4 hz.當(dāng)adc輸入可編程增益放大器（pga）的增益配置為32時(shí)，aducm360/aducm361的無(wú)噪聲代碼分辨率大于18位。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖1. aducm360/aducm361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）
圖1. aducm360/aducm361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(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0a至2ma范圍內(nèi)配置。本例使用200a設(shè)置，以便將rtd自熱效應(yīng)引起的誤差降至最小。
- aducm360/aducm361中的adc內(nèi)置1.2v基準(zhǔn)電壓源。它的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源精度高，適合測(cè)量熱電偶電壓。
- aducm360/aducm361中的adc內(nèi)置外部電壓基準(zhǔn)電壓源。它可測(cè)量rtd電阻；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。
- 偏置電壓發(fā)生器（vbias）。vbias用于將熱電偶共模電壓設(shè)置為avdd/2.
- armctex-m3內(nèi)核。功能強(qiáng)大的32位arm內(nèi)核集成了126kb閃存和8kbsram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sd處于低電平，同時(shí)切換reset按鈕，aducm360/aducm361便進(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)。
本應(yīng)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(shè)置下可以覆蓋熱電偶的整個(gè)溫度范圍。
rtd用于執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。本電路使用鉑100ωrtd,型號(hào)為enercp 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(zhǔn)電阻rref應(yīng)為精密5.6kω （±0.1%）電阻。
aducm360/aducm361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電纜本身還須采用鐵氧體磁珠來(lái)增強(qiáng)emi/rfi保護(hù)功能。本電路所用鐵氧體磁珠為taiyo yuden #bk2125hs102-t,它在100 mhz時(shí)的阻抗為1000ω。
本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層印刷電路板（pcb）上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)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mt-101--去耦技術(shù)、以及aducm360tcz評(píng)估板布局）。
評(píng)估該電路所用的pcb如圖2所示。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖2. 本電路所用的eval-aducm360tcz板
圖2. 本電路所用的eval-aducm360tcz板
代碼說(shuō)明
用于測(cè)試本電路的源代碼可從aducm360產(chǎn)品頁(yè)面下載（zip壓縮文件）。
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
測(cè)量熱電偶和rtd的溫度，以獲得溫度讀數(shù)。通過(guò)查找表，將rtd溫度轉(zhuǎn)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(gè)電壓相加以得出熱電偶的絕對(duì)溫度值。
首先，v1是熱電偶兩條線之間測(cè)得的電壓。通過(guò)查找表，測(cè)量rtd電壓并轉(zhuǎn)換為溫度值；然后，該溫度值再轉(zhuǎn)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(shù)值經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為最終的溫度測(cè)量值。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖4. 使用簡(jiǎn)單線性逼近法時(shí)的誤差
圖4. 使用簡(jiǎn)單線性逼近法時(shí)的誤差
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40v/°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5表示使用理想熱電偶電壓的算法誤差。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖5. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差
圖5. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差
圖6表示在aducm360上采用adc1測(cè)量全熱電偶工作范圍內(nèi)的52個(gè)熱電偶電壓，所產(chǎn)生的誤差。整體最大的誤差為
圖6. 使用分段線性逼近法時(shí)的誤差（采用aducm360/aducm361測(cè)量的52個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)）
像熱電偶一樣，rtd溫度可使用查找表的方法計(jì)算與實(shí)現(xiàn)。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。
電路評(píng)估與測(cè)試
為測(cè)試與評(píng)估電路，將熱電偶測(cè)量和rtd測(cè)量單獨(dú)進(jìn)行評(píng)估。
熱電偶測(cè)量測(cè)試
基本測(cè)試設(shè)置如圖7.熱電偶與j5相連，必須安裝j1跳線以便對(duì)ain7/vbias引腳進(jìn)行熱電偶共模電壓設(shè)置。電路板從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6所示。這種模式下，校準(zhǔn)儀代替熱電偶作為電壓源，如圖7所示。為了評(píng)估t型熱電偶的整個(gè)范圍，利用校準(zhǔn)儀設(shè)置t型熱電偶？200°c至+350°c的正負(fù)溫度范圍之間52個(gè)點(diǎn)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(píng)估查找算法的精度，將551電壓讀數(shù)（等效溫度范圍：?200°c至+350°c,間隔+1°c）送往溫度計(jì)算函數(shù)。圖4和圖5表示以線性法和分段線性逼近法計(jì)算的誤差。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖7. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試電路的設(shè)置
圖7. 用于在熱電偶完整輸出電壓范圍內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試電路的設(shè)置
rtd測(cè)量測(cè)試
為評(píng)估rtd電路和線性化源代碼，以精確可調(diào)節(jié)的源電阻替代板上的rtd.采用儀器為1433-z decade resist.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(cè)試設(shè)置電路，圖9表示rtd測(cè)試的誤差結(jié)果。
利用精密模擬微控制器aducm360和外部熱電偶構(gòu)建基于usb的溫度監(jiān)控器 （cn0221） 圖8. 用于測(cè)量rtd誤差的測(cè)試設(shè)置
圖8. 用于測(cè)量rtd誤差的測(cè)試設(shè)置
圖9. rtd測(cè)量誤差，以°c表示（采用分段線性代碼和adc0測(cè)量）
