Schleifengespeistes Thermoelement-Temperaturmesssystem mit ARM Cortex-M3

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Analog Devices

Schaltungsevaluierung und Test

Dieser Beitrag geht nicht auf den Bereich zur Erfassung der Temperatur ein, da dieser bereits in der CN-0300 erläutert ist. Der Schwerpunkt liegt auf der Leistungsfähigkeit des Temperatur/Strom-Ausgangs.

Differenzielle Nichtlinearität der PWM

Die differenzielle Nichtlinearität (DNL) des gefilterten PWM-Ausgangs wurde zuerst gemessen. Der DNL-Verlauf in Bild 5 zeigt im kritischen 4/20-mA-Bereich eine typische Leistungsfähigkeit von besser als 0,3 LSB. Diese Tests wurden mit einem Filter zweiter Ordnung am PWM-Ausgang durchgeführt. Zwei 47-kΩ-Widerstände und zwei 100-nF-Kondensatoren wurden verwendet, wie in Bild 1 gezeigt.

Temperatur/Strom-Ausgang

Der Aufbau in Bild 6 wurde zum Testen des Kommunikationsbereichs der Schaltung verwendet.

Der PC schickt über den UART Temperaturwerte an den ADuCM360. Anschließend stellt der ADuCM360 den PWM-Ausgang entsprechend ein. Der Strom in der Schleife wird gemessen und aufgezeichnet.

Ein Temperaturanstieg um 1 K ergibt (20 mA – 4 mA) / 550 = 0,029029 mA.

Den Fehler in der Stromschleife, gemessen in der CN-0300 (DAC-gesteuert) und in der CN-0319 (PWM-gesteuert), zeigt Bild 7.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit der PWM-gesteuerten Schleife nach der Kalibrierung höher ist als bei der DAC-gesteuerten Schleife mit Rückkopplung.

Für eine höhere Genauigkeit könnte man die Rückkopplungsschleife hinzunehmen. Dazu müsste man einen ADuCM360 verwenden, bei dem der zweite A/D-Wandler aktiviert ist, um die Schleife zu überwachen. Dies würde die Stromaufnahme (ADC0 on) erhöhen und die Reaktionszeit der Schleife verlängern.

Die Update Rate der Stromschleife hängt von der CPU und der ADC-Konfiguration ab. Im Beispielcode sind die CPU-Taktfrequenz auf 1 MHz und die ADC-Frequenz auf 5 Hz eingestellt. Der A/D-Wandler wandelt mehrere Messwerte am Widerstandsthermometer und am Thermoelement, bevor das Ergebnis gemittelt wird. Die Zahl der Messwerte wird durch den Parameter SAMPLEN0 definiert. Im Beispielcode ist dieser auf 8 eingestellt. Dies ergibt eine Stromschleifen-Update-Rate von 740 ms. Für eine kürzere Reaktionszeit der Schleife kann SAMPLEN0 reduziert werden.

Messung der Stromaufnahme

Im normalen Betrieb nimmt die Schaltung 2 mA (typ.) auf. Im Reset-Zustand kommt sie mit weniger als 550 μA aus. Um den Betrieb mit niedriger Stromaufnahme zu ermöglichen, kann die Core-Betriebsfrequenz der Bauteile ADuCM360/ADuCM361 reduziert werden. Dazu programmiert man die internen CLKSYSDIV-Register entsprechend. Durch Programmierung des CLKCON0-Registers kann man die Core-Frequenz von 16 MHz in binäre Vielfache von 2 bis 128 teilen. In diesem Beispiel-Code wird ein Taktteilerwert von 8 verwendet. Dies liefert eine Core-Frequenz von 1 MHz.

Der primäre A/D-Wandler wird mit einer Verstärkung von 32 aktiviert. PWM und D/A-Wandler sind ebenfalls für die Kommunikation in der Schleife aktiviert. Alle nicht benutzten Peripherieschaltungen sind abgeschaltet, um den Energieverbrauch zu minimieren.

Aus Tabelle 2 ist die Stromaufnahme der einzelnen Bauteile und der Gesamtschaltung der Temperaturüberwachungsschaltung ersichtlich.

Mehr Informationen über die Stromaufnahme des ADuCM360 enthält die Applikationsschrift AN-1111.

* Aude Richard arbeitet als ADuC-Applikationsingenieur bei Analog Devices in Norwood, USA.

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