מאת: Michael Looney, Analog Devices
הערכה ותמיכה בתכנון
כרטיסי הערכת מעגלים
AduC7061 MiniKit (EVAL-ADUC7061MKZ)
קבצי תכנון ושילוב
Schematics, Layout Files, Bill of Materials
פעולת המעגל ויתרונות
מעגל זה משתמש במיקרו-בקר האנלוגי המדויק AduC7060/AduC7061 ביישום ניטור טמפרטורת צמד תרמי. ה- AduC7060/AduC7061 משלב ADCs כפולים 24 -ביט -Σ,
מקורות זרם כפולים מיתכנתים, 14DAC – ביט ומקור ייחוס פנימי 1.2 וולט, כמו גם ליבת ARM7, הבזק , 4kB SRAM וציוד היקפי שונה כגון UART, מדי-זמן, ממשקי SPL ו-I2C.
במעגל, ה- AduC7060/AduC7061 מחובר לצמד תרמי ו-RTD . ה-RTD משמש לקיזוז עבור צומת קרה (cold junction).
בקוד המקור, נבחר קצב דגימה של 100 הרץ. כאשר מבוא ה-PGA של ה-ADC מעוצב עבור שבח של 32, רזולוציית הקוד ללא רעש של ה- AduC7060/AduC7061 היא גדולה מ-18 ביטים.
- איור 1. AduC7060/AduC7061 כבקר ניטור טמפרטורה בעל ממשק של צמד תרמי (סכימה מפושטת, לא מוצגים כל החיבורים)
איור 2. הכרטיס EVAL-ADUC7061MKZ המשמש למעגל זה
איור 3. מוצא היישום HyperTerminal Communication Port Viewing
תאור המעגל
התכונות הבאות של ה- AduC7060/AduC7061 תקפות ביישום זה:
ADC ראשוני 24 -ביט -Σ בעל מגבר עם שבח מיתכנת (programmable gain amplifier – PGA): ה-PGA מכוון בתוכנה לשבח של 32 ביישום זה. ה-ADC הראשוני מותג ברציפות בין דגימת הצמד התרמי ומתחי ה-RTD.
מקורות זרם עירור לשם העברת זרם מבוקר דרך ה-RTD. מקורות הזרם הכפולים ניתנים לעיצוב בצעדים של 200 מיקרו-אמפר מ-0 מיקרו-אמפר עד 2 מילי-אמפר. בדוגמה זו, נבחר כוונון של 200 מיקרו-אמפר כדי למזער את השגיאה הנגרמת על-ידי החימום העצמי של ה-RTD.
ייחוס פנימי 1.2 וולט עבור ה-ADC ב-AduC7060/AduC7061. ייחוס המתח הפנימי שימש למדידת מתח הצמד התרמי בשל דיוקו.
ייחוס מתח חיצוני עבור ה-ADC ב-AduC7060/AduC7061. למדידת התנגדות ה-RTD, השתמשנו במערך רציומטרי בו נגד ייחוס חיצוני (RREF) מחובר בין הפינים של ה-VREF+ ו- V REF – החיצוניים.
DAC – ביט. ה-DAC שימש לקביעת מתח המוד-המשותף של הצמד התרמי ל-850 מילי-וולט מעל ההארקה.
ליבת ה-*ARM7TDMI: הליבה ARM7 16/32 ביט העצמתית עם הבזק משולב 32kB וזיכרון SRAM מריצה את קוד המשתמש המעצב ומבקר את ה-ADC, מעבדת את המרות ה-ADC מה-RTD ומבקרת את התקשורות על-פני ממשק ה- UART/USB.
UART: ה-UART שימש כממשק תקשורת אל ה-PC המארח.
שני מתגים חיצוניים שימשו להעברת החלק למוד flash boot. על-ידי הצבת 1S נמוך ושינוי המצב של 2S, ה- AduC7060/AduC7061 יכנסו למוד אתחול (boot) במקום זה של השימוש הרגיל. במוד האתחול, ההבזק הפנימי ניתן לתכנון חוזר דרך ממשק ה-UART.
הן הצמד התרמי והן ה-RTD מפיקים אותות חלשים מאוד; לכן, דרוש PGA כדי להגביר אותות אלה. מאחר של-ADC הנוסף ב- AduC7060/AduC7061 אין PGA, שניהם חוברו ל-ADC הראשוני והמיתוג בין השניים בוצע בתוכנה.
הצמד התרמי אשר שימש ביישום זה הוא מסוג T (נחושת-קונסטנטן) בעל תחום טמפרטורה של -200°C עד 350°C. הרגישות שלו היא כ-40µV/0C, כלומר ה-ADC במוד הדו-קוטבי עם שבח PGA של 32 יכול לכסות את כל תחום הטמפרטורה של הצמד התרמי.
ה-RTD שימש לקיזוז עבור הצומת הקרה. ה-RTD הספציפי ששימש במעגל זה היה RTD 100 אוהם פלטינה, מספר דגם Enercorp PCS 1.1503.1. הוא מזווד במארז SMT. ל-RTD זה שינוי טמפרטורה של °C/ .
שים לב שנגד הייחוס RREF חייב להיות בדיוק (±0.1%) 5.62k.
ממשק ה-USB אל ה- AduC7060/AduC7061 ממומש על-ידי מקמ”ש FT232R UART to USB, הממיר אותות USB ישירות אל ה-UART.
בנוסף לניתוק המוצג באיור 1, לכבל ה-USB עצמו חייב להיות חרוז (bead) מפֵריט לשם הגנת EMI/RFI נוספת. החרוזים ששימשו במעגל היו Taiyo Yuden, #BK2125HS102-T בעלי עכבה של 1000 אוהם ב-100 מגה-הרץ.
יש לבנות את המעגל על כרטיס רב-שכבתי בעל מישור הארקה בעל שטח גדול. יש להשתמש בטכניקות תסדיר, הארקה וניתוק כדי להשיג ביצועים מיוטבים.
see Tutorial MT-031, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND,” Tutorial MT-101, Decoupling Techniques, and the ADuC7060/ADuC7061
Evaluation Board layout).
ה- EVAL-ADUC7061MKZ מוצג באיור 2.
תאור הקוד
אפשר להוריד את קוד המקור המשמש לבדיקת המעגל כקובץ זיפ מאתר החברה
ה-UART מעוצב עבור קצב baud של 9600, 8 – ביט נתונים, ללא שוויון, ללא בקרת זרימה. אם המעגל מחובר ישירות ל-PC, אפשר להשתמש ביישום תצוגת שער תקשורת דוגמת ה-HyperTerminal כדי להציג את התוצאות המועברות על-ידי התכנית אל ה-UART, כמתואר באיור 3.
כדי לקבל קריאת טמפרטורה, יש למדוד את טמפרטורת הצמד התרמי וה-RTD, ולחברן יחד כדי לקבל את הערך המוחלט בצמד התרמי.
ראשית, יש להמיר את המתח הנמדד בין שני תילי הצמד התרמי לטמפרטורה. תחילה, דבר זה נעשה תוך שימוש בהנחה ליניארית שהמתח בצמד התרמי היה 40µV/°C. ניתן לראות מאיור 4 שדבר זה יוצר שגיאה סבירה רק עבור תחום קטן מסביב ל-0°C.
דרך טובה יותר לחשב את טמפרטורות הצמד התרמי היא להשתמש בפולינום מסדר שישי עבור הטמפרטורות החיוביות ובפולינום מסדר שביעי עבור הטמפרטורות השליליות. הדבר מחייב פעולות מתמטיות, המוסיפות לזמן המחשוב ולגודל הקוד. פשרה רצויה היא לחשב את הטמפרטורות המתאימות עבור מספר קבוע של מתחים. יש לאחסן טמפרטורות אלו בתוך מערך, ולחשב את ערכי הביניים על-ידי אינטרפולציה ליניארית בין נקודות סמוכות. ניתן לראות מאיור 5 שבשיטה זו השגיאה קטנה דרסטית. איור 5 נותן את שגיאת האלגוריתם בשימוש במתחי צמד תרמי אידיאליים.
איור 6 מראה את השגיאות המתקבלות כאשר משתמשים ב-ADC0 על ה- AduC7060 כדי למדוד 52 מתחי צמד תרמי בתחום הפעולה המלא של הצמד התרמי. השגיאה הגדולה ביותר היא 1°C<.
טמפרטורת ה-RTD מחושבת בעזרת קירוב ליניארי מאחר שתחום הפעולה של ה-RTD אמור להיות מוגבל, ואי-הליניאריויות לא יגרמו לשגיאות משמעותיות. לחילופין, אפשר להשתמש בלוחות חיפוש (lookup tables) עבור ה-RTD באותו האופן כמו עבור הצמד התרמי. שים לב של-RTD פולינום שונה המתאר את הטמפרטורות בתלות בהתנגדות.
לפרטים על הליניאריזציה והייטוב של ביצועי ה-RTD, עיין ב-
Application Note AN-0970, RTD Interfacing and Linearization Using an ADuC706x Microcontroller.
איור 4. שגיאה כאשר משתמשים בקירוב ליניארי פשוט
איור 5. שגיאה כאשר משתמשים בקירוב הליניארי Piecewise עם 52 נקודות כיול ומדידות אידיאליות
איור 6. שגיאה כאשר משתמשים בקירוב הליניארי Piecewise עם 52 נקודות כיול שנמדדו על-ידי AduC7060/61 ADC0
שינויים מקובלים
ניתן להחליף את הוסת ADP3333-2.5 ב- ADP120-2.5, בעל תחום טמפרטורה רחב יותר (-40°C עד +125°C) והצורך פחות הספק (בממוצע 20 מיקרו-אמפר לעומת 70 מיקרו-אמפר), אך הוא בעל תחום מתחי מבוא מרביים נמוך יותר (5.5 וולט לעומת 12 וולט). אם דרושים יותר פיני GPIO במיקרו-בקר, ה-AduC7060, המסופק עם LFCSP 48 גידים או עם מארז LQFP בעל 48 גידים, מהווה אופציה נוספת. שים לב שה- AduC7060/Adu7061 ניתן לתכנת או לנפות דרך ממשק JTAG סטנדרטי.
עבור ממשק תקני UART ל-RS-232, אפשר להחליף את המקמ”ש FT232R בהתקן דוגמת ה-ADM3202, הדורש ספק כוח של 3 וולט. לקבלת תחום טמפרטורה רחב יותר, ניתן להשתמש בצמד תרמי אחר, דוגמת סוג J. כדי למזער את שגיאת קיזוז הצומת הקרה, יש לחבר תרמיסטור במגע עם הצומת הקרה עצמה במקום על-גבי הכרטיס.
במקום להשתמש ב- RTD ובנגד ייחוס חיצוני כדי למדוד את טמפרטורת הצומת הקרה, ניתן להשתמש בחיישן טמפרטורה דיגיטלי חיצוני. לדוגמה, ניתן לחבר את ה- ADT7410 ל- AduC7060/AduC7061 דרך ממשק ה-PC. לקבלת יותר פרטים על קיזוז הצומת הקרה, נא לעיין ב-
Sensor Signal Conditioning, Analog Devices, Chapter 7, ”Temperature Sensors”.
אם דרוש בידוד בין מחבר ה-USB ומעגל זה, יש להוסיף את התקני הבידוד AduM3160/AduM4160.
לשם הערכת הדיוק של אלגוריתם לוחות החיפוש, 551 קריאות מתח, שוות-ערך לטמפרטורות בתחום של -2000C עד +3500C, הוכנסו לפונקציות חישוב הטמפרטורה. חושבו השגיאות עבור השיטה הליניארית ושיטת הקירוב הליניארי piecewise, כפי שניתן לראות באיור 4 ואיור 5.
איור 7. מתקן הבדיקה אשר שימש לכיול ובדיקה של המעגל במלוא תחום מתח המוצא של הצמד התרמי
לצורכי לימוד נוסף:
CN0214 Design Support Package:
אתר החברה
ADIsimPower Design Tool.
Kester, Walt. 1999. Sensor Signal Conditioning. Analog Devices.
Chapter 7, “Temperature Sensors.”
Kester,Walt. 1999. Sensor Signal Conditioning. Analog Devices.
Chapter 8, “ADCs for Signal Conditioning.”
Looney, Mike. RTD Interfacing and Linearization Using an
ADuC706x Microcontroller. AN-0970 Application Note.
Analog Devices.
MT-022 Tutorial, ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC
Basics. Analog Devices.
MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC
Advanced Concepts and Applications. Analog Devices.
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of “AGND” and “DGND.” Analog Devices.
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques. Analog Devices.
ITS-90 Table for type T thermocouple.
Data Sheets and Evaluation Boards
ADuC7060/ADuC7061 Data Sheet
ADuC7060/ADuC7061 Evaluation Kit
ADM3202 UART to RS232 Transceiver Data Sheet
ADP120 Data Sheet
ADP3333 Data Sheet
