電路描述 - 集成電壓/電流驅(qū)動(dòng)的靈活4~20mA環(huán)路供電壓力傳感器變送器

　　電路描述

　　該設(shè)計(jì)提供完整的4 mA至20 mA變送器壓力傳感器檢測(cè)解決方案，整個(gè)電路由環(huán)路供電。有三個(gè)重要的電路級(jí)：傳感器激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、傳感器輸出放大器和電壓-電流轉(zhuǎn)換器。

　　電路所需總電流為1.82 mA（最大值），如表1所示。因此，可在不超過(guò)4 mA最大可用環(huán)路電流的情況下使用電橋驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)2 mA的壓力傳感器。

　　傳感器激勵(lì)驅(qū)動(dòng)

　　需使用電壓驅(qū)動(dòng)或電流驅(qū)動(dòng)，具體取決于所選壓力傳感器。該電路使用一半的ADA4091-2（U2A），并通過(guò)開(kāi)關(guān)S1選擇不同配置，支持兩種選項(xiàng)之一。開(kāi)關(guān)S1提供其中一種驅(qū)動(dòng)選擇。

　　激勵(lì)：電壓驅(qū)動(dòng)配置

　　圖2顯示S1的電壓驅(qū)動(dòng)配置，S1位于PCB上標(biāo)有VOLTAGE DRIVE處（完整電路布局和原理圖參見(jiàn)CN0289設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport）。

　　圖2. 傳感器電壓驅(qū)動(dòng)配置（RBRIDGE=5kΩ、VDRIVE=10V

　　電壓驅(qū)動(dòng)電路通常配置為10 V電橋驅(qū)動(dòng)電壓。在該模式下，允許的最小電橋電阻為：

　　對(duì)于低于5 kΩ的電橋電阻而言，可通過(guò)移除R6并使用緩沖器配置，將驅(qū)動(dòng)電壓降低至5 V。

　　通過(guò)下式選擇合適的R6，便可獲得驅(qū)動(dòng)電壓的其他值：

　　其中：

　　請(qǐng)注意，環(huán)路電壓VLOOP應(yīng)至少比電橋驅(qū)動(dòng)電壓高0.2 V，以便讓U2A具有足夠的裕量。

　　激勵(lì)：電流驅(qū)動(dòng)配置

　　通過(guò)將S1移動(dòng)至PCB上標(biāo)有CURRENT DRIVE的位置，便可將電路切換至圖3所示的電流驅(qū)動(dòng)配置。

　　圖3. 傳感器電流驅(qū)動(dòng)配置（RBRIDGE = 3 kΩ）

　　在電流驅(qū)動(dòng)模式中，必須保留最大允許的2 mA電橋驅(qū)動(dòng)電流。電路配置為R4 = 2.49 kΩ且IDRIVE = 2 mA。使用下式選擇 R4值，可獲得較低的 IDRIVE值：

　　通過(guò)下式可計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓VDRIVE：

　　U2A電源需要0.2 V裕量，因此：

　　在圖3中，RBRIDGE = 3 kΩ、IDRIVE = 2 mA、 VDRIVE = 11 V、VLOOP ≥ 11.2 V。

　　該電路選擇運(yùn)算放大器ADA4091-2，因?yàn)樗哂械凸模總€(gè)放大器250 μA）、低失調(diào)電壓（250 μV）以及軌到軌輸入輸出特性。

　　電橋輸出儀表放大器以及增益和失調(diào)電阻選擇

　　電橋輸出采用帶寬為39.6 kHz的共模濾波器（4.02 kΩ、1 nF） 以及帶寬為2 kHz的差模濾波器（8.04 kΩ、10 nF）濾波。

　　AD8226是理想的儀表放大器選擇，因?yàn)樗哂械驮鲆嬲`差 （0.1%，B級(jí)）、低失調(diào)（G = 50時(shí)58μV，B級(jí)；G = 50時(shí)112μV， A級(jí)）、出色的增益非線性度（75 ppm = 0.0075%）以及軌到軌輸出特性。

　　AD8226儀表放大器以系數(shù)50 V至5 V放大100 mV FS信號(hào)，增益設(shè)置電阻R3 = 1.008 kΩ。增益G和R3的關(guān)系如下：

　　其中G = 50，R3 = 1008 Ω。

　　輸出零值環(huán)路電流ILO = 4 mA：

　　由于R10與R8之比為100:1

　　合并最后兩式可得：

　　ILO= 4 mA時(shí)，AD8226輸出為0 V；失調(diào)電阻R12可計(jì)算如下：

　　若VOUT= 5.00 V，則輸出環(huán)路電流ILH = 20 mA， 因此：

　　流經(jīng)R12的電流為：

　　流經(jīng)R9的電流為：

　　R9值可通過(guò)下式計(jì)算：

　　實(shí)際使用時(shí)，R3、R12和R9的計(jì)算值將不作為標(biāo)準(zhǔn)值提供，因此電路所用的實(shí)際值將產(chǎn)生固定誤差。這些誤差可通過(guò)下式計(jì)算。

　　電阻R3、R9和R12產(chǎn)生的增益、失調(diào)和總誤差測(cè)量值，以 %FSR表示（其中，F(xiàn)SR = 16 mA）：

　　零電平輸出（4 mA）時(shí)的總誤差不受增益誤差影響。

　　而滿(mǎn)量程輸出（20 mA）時(shí)的總誤差可計(jì)算如下：

　　滿(mǎn)量程誤差 = 增益誤差 + 失調(diào)誤差

　　實(shí)際電路中，必須選擇最接近EIA標(biāo)準(zhǔn)的0.1%電阻，因此可得前文所述的固定增益和失調(diào)誤差?？墒褂脙蓚€(gè)0.1%電阻組合，以便更接近計(jì)算值。例如，下列0.1%電阻的串聯(lián)組合非常接近計(jì)算值：

　　R3 = 1 kΩ + 8.06 Ω = 1008.06 Ω （計(jì)算值 = 1008 Ω）

　　R9 = 30.9 kΩ + 655 Ω = 31.555k Ω （計(jì)算值 = 31.56 kΩ）

　　R12 = 124 kΩ + 2.26 kΩ = 126.26 Ω （計(jì)算值 = 126.25 Ω）

　　這些組合的誤差計(jì)算如下：

　　失調(diào)誤差 = ?0.008% FSR

　　增益誤差 = +0.010% FSR

　　滿(mǎn)量程誤差 =

　　然而在某些情況下，電阻供應(yīng)商甚至連標(biāo)準(zhǔn)0.1%電阻值都無(wú)法提供，因此需進(jìn)行替換。

　　例如，EVAL-CN0289-EB1Z 評(píng)估板提供的電阻值如下：

　　R3 = 1000 Ω（計(jì)算值 = 1008 Ω）

　　R9 = 31.6 kΩ（計(jì)算值 = 31.56 kΩ）

　　R12 = 124 kΩ（計(jì)算值 = 126.25 kΩ）

　　根據(jù)評(píng)估板提供的數(shù)值，電阻值引起的誤差可計(jì)算如下：

　　失調(diào)誤差 = +0.45% FSR

　　增益誤差 = +0.66% FSR

　　滿(mǎn)量程誤差 = +1.11% FSR