如何利用ADUCM360精密监控热电偶温度

电路功能与优势

本电路显示如何在精密热电偶温度监控应用中使用精 密模拟微控制器ADuCM360/ADuCM361。ADuCM360/ADuCM361集成双通道24位-型模数转换器（ADC）、双通道可编程电流源、12位数模转换器（DAC）、1.2 V内部基准电压源、ARM Cortex-M3内核、126 kB闪存、8 kB SRAM以及各种数字外设，例如UART、定时器、SPI和I2C接口等。

在本电路中，ADuCM360/ADuCM361连接到一个热电偶和一个100 铂电阻温度检测器（RTD）。RTD用于执行冷结补偿。

在源代码中，ADC采样速率选择4 Hz。当ADC输入可编程增益放大器（PGA）的增益配置为32时，ADuCM360/ADuCM361的无噪声代码分辨率大于18位。

图1. ADuCM360/ADuCM361用作温度监控控制器与热电偶接口（原理示意图，未显示所有连接）

电路描述

本应用中用到ADuCM360/ADuCM361的下列特性：

- 在软件中，为热电偶和RTD配置了32倍PGA增益的24位∑-△型ADC。ADC1在热电偶信号采样与RTD电压信号采样之间连续切换。

- 可编程激励电流源，用来驱动受控电流流经RTD。双通道电流源可在0A至2mA范围内配置。本例使用200A设置，以便将RTD自热效应引起的误差降至最小。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置1.2V基准电压源。它的内部基准电压源精度高，适合测量热电偶电压。

- ADuCM360/ADuCM361中的ADC内置外部电压基准电压源。它可测量RTD电阻；采用比率式设置，将一个外部基准电阻（RREF）连接在外部VREF+和VREF引脚上。

- 偏置电压发生器（VBIAS）。VBIAS用于将热电偶共模电压设置为AVDD/2。

- ARMCortex-M3内核。功能强大的32位ARM内核集成了126kB闪存和8kBSRAM存储器，用来运行用户代码，可配置并控制ADC，通过RTD处理ADC转换，以及控制UART/USB接口的通信。

- UART用作与PC主机的通信接口。

- 两个外部开关用来强制该器件进入闪存引导模式。使SD处于低电平，同时切换RESET按钮，ADuCM360/ADuCM361便进入引导模式，而不是正常的用户模式。在引导模式下，通过UART接口可以对内部闪存重新编程。

热电偶和RTD产生的信号均非常小，因此需要使用PGA来放大这些信号。

本应用使用的热电偶为T（铜-康铜）型，其温度范围为−200°C至+350°C。灵敏度约为40V/°C，这意味着ADC在双极性模式和32倍PGA增益设置下可以覆盖热电偶的整个温度范围。

RTD用于执行冷结补偿。本电路使用铂100ΩRTD，型号为Enercorp PCS 1.1503.1。它采用0805表贴封装。温度变化率为0.385Ω/°C。

注意，基准电阻RREF应为精密5.6kΩ （±0.1%）电阻。

ADuCM360/ADuCM361的USB接口通过FT232R UART转USB收发器实现，它将USB信号直接转换为UART。

除图1所示的去耦外，USB电缆本身还须采用铁氧体磁珠来增强EMI/RFI保护功能。本电路所用铁氧体磁珠为Taiyo Yuden #BK2125HS102-T，它在100 MHz时的阻抗为1000Ω。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板（PCB）上。为实现最佳性能，应采用适当的布局、接地和去耦技术。

评估该电路所用的PCB如图2所示。

图2. 本电路所用的EVAL-ADuCM360TCZ板

代码说明

用于测试本电路的源代码可从ADuCM360产品页面下载（zip压缩文件）。

UART配置为波特率9600、8数据位、无极性、无流量控制。如果本电路直接与PC相连，则可以使用“超级终端” （HyperTerminal）等通信端口查看程序来查看该程序发送给UART的结果，如图3所示。

图3.“超级终端”通信端口查看程序的输出

测量热电偶和RTD的温度，以获得温度读数。通过查找表，将RTD温度转换为它的等效热电偶电压（可查看ISE公司的ITS-90 T型热电偶表）。这两个电压相加以得出热电偶的 绝对温度值。

首先，V1是热电偶两条线之间测得的电压。通过查找表，测量RTD电压并转换为温度值；然后，该温度值再转换为它的等效热电偶电压（V2）。随后，V1和V2相加得出总热电 偶电压值，此数值经转换后作为最终的温度测量值。

图4. 使用简单线性逼近法时的误差

最初，这一转换是基于一个简单的线性假设：热电偶的温度为40V/°C。从图4可以看出，只有针对0°C左右的小范围温度，如此转换所产生的误差才是可以接受的。计算热电偶温度的更好方法是对正温度使用6阶多项式，对负温度使用7阶多项式。这需要进行数学运算，导致计算时间和码字大小增加。适当的折衷是针对固定数量的电压计算相应的温度，然后将这些温度存储在一个数组中，其间的值利用相邻点的线性插值法计算。从图5可以看出，使用这种方法时误差显著降低。图5表示使用理想热电偶电压的算法误差。

图5. 使用分段线性逼近法时的误差

图6表示在ADuCM360上采用ADC1测量全热电偶工作范围内的52个热电偶电压，所产生的误差。整体最大的误差为《1°C。

图6. 使用分段线性逼近法时的误差（采用ADuCM360/ADuCM361测量的52个校准点）

像热电偶一样，RTD温度可使用查找表的方法计算与实现。注意，描述RTD温度与电阻关系的多项式与描述热电偶的多项式不同。

常见变化

ADP1720 可以代替ADP120调节器，前者具有同样的工作温度范围（−40°C至+125°C），功耗更低（典型值为35A，后者为70A）且具有更低的最大输入电压。请注意，ADuCM360/ADuCM361可以通过标准串行线接口编程或调试。

对于标准UART至RS-232接口，可以用ADM3202等器件代替FT232R收发器，前者需采用3 V电源供电。对于更宽的温度范围，可以使用其它热电偶，例如J型热电偶。为使冷结补偿误差最小，可以让一个热敏电阻与实际的冷结接触，而不是把它放在PCB上。

针对冷结温度测量，可以用一个外部数字温度传感器来代替RTD和外部基准电阻。例如，ADT7410可以通过I2C接口连接到ADuCM360/ADuCM361。

如果USB连接器与本电路之间需要隔离，则应增加隔离器件ADuM3160/ADuM4160。

电路评估与测试

为测试与评估电路，将热电偶测量和RTD测量单独进行评估。

热电偶测量测试

基本测试设置如图7。热电偶与J5相连，必须安装J1跳线以便对AIN7/VBIAS引脚进行热电偶共模电压设置。电路板从PC的USB连接获得电源。

使用两种方法来评估本电路的性能。首先使用连接到电路板的热电偶来测量冰桶的温度，然后测量沸水的温度。

使用Wavetek 4808多功能校准仪来充分评估误差，如图4和图6所示。这种模式下，校准仪代替热电偶作为电压源，如图7所示。为了评估T型热电偶的整个范围，利用校准仪设置T型热电偶−200°C至+350°C的正负温度范围之间52个点的等效热电偶电压。（可查看ISE公司的ITS-90 T型热电偶表）。

为评估查找算法的精度，将551电压读数（等效温度范围：−200°C至+350°C，间隔+1°C）送往温度计算函数。图4和图5表示以线性法和分段线性逼近法计算的误差。

图7. 用于在热电偶完整输出电压范围内校准和测试电路的设置

RTD测量测试

为评估RTD电路和线性化源代码，以精确可调节的源电阻替代板上的RTD。采用仪器为1433-Z Decade Resistor。RTD值在90Ω至140Ω之间，表示的RTD温度范围为−25°C至+114°C。

图8表示测试设置电路，图9表示RTD测试的误差结果。

图8. 用于测量RTD误差的测试设置

图9. RTD测量误差，以°C表示（采用分段线性代码和ADC0测量）