滿足工業(yè)需求的高性能/高精度/4–20mA電流環(huán)變送器

　　該參考設(shè)計(jì)顯示了如何開(kāi)發(fā)一款適合工業(yè)過(guò)程控制和智能傳感器的高性能、高壓2-wire或3-wire 4–20mA電流環(huán)變送器。此外，還提供誤差分析測(cè)試數(shù)據(jù)、熱特征數(shù)據(jù)、原理圖以及分析軟件。

　　有關(guān)4–20mA變送器設(shè)計(jì)計(jì)算表（XLSX）現(xiàn)在可供下載。

　　引言

　　4–20mA電流環(huán)廣泛用作工業(yè)領(lǐng)域的模擬通信接口，可以方便地通過(guò)雙絞線將遠(yuǎn)端傳感器數(shù)據(jù)傳送到控制中心的可編程邏輯控制器（PLC）。這種接口簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離可靠傳輸，具有良好的抗噪性，實(shí)施成本較低，非常適合長(zhǎng)期的工業(yè)過(guò)程控制以及遠(yuǎn)端自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，工業(yè)發(fā)展和當(dāng)今所有的電子應(yīng)用一樣，需求強(qiáng)勁，要求精度更高、功耗更低，并在-40°C至+105°C擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)可靠工作，具備更高的安全性和系統(tǒng)保護(hù)，還要求支持高速可尋址遠(yuǎn)端傳感器（HART?）協(xié)議。總而言之，這些要求使得當(dāng)今的4–20mA電流環(huán)設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。

　　本文介紹了如何開(kāi)發(fā)4–20mA電流環(huán)變送并進(jìn)行性能分析，以及如何選擇滿足嚴(yán)苛工業(yè)要求的元器件。提供誤差分析測(cè)試數(shù)據(jù)、熱特征數(shù)據(jù)、原理圖以及分析軟件。

　　工作原理及關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

　　我們首先從參考設(shè)計(jì)入手，圖1所示為高性能、低功耗、4–20mA電流環(huán)變送器的方框圖，該設(shè)計(jì)大幅減少了元件數(shù)量，具有最高性價(jià)比。

　　圖1. 4–20mA環(huán)路供電變送器參考設(shè)計(jì)，由MAX5216 16位DAC （U1）、MAX9620運(yùn)算放大器（U2）、MAX6133電壓基準(zhǔn)（U3）和MAX15007 LDO （U4）組成。

　　該參考設(shè)計(jì)采用低功耗、高性能元件，25°C時(shí)精度優(yōu)于0.01%；整個(gè)溫度范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.05%，支持工業(yè)上最嚴(yán)格的4–20mA電流環(huán)要求。該設(shè)計(jì)采用了MAX5216，低功耗16位DAC （U1）；MAX9620，零失調(diào)、滿擺幅輸入輸出（RRIO）、高性能運(yùn)算放大器（U2）；MAX6133，電壓基準(zhǔn)（U3）；以及MAX15007，40V低靜態(tài)電流LDO （U4）。

　　U3電壓基準(zhǔn)為U1提供低噪聲、5ppm/°C （最大值）低溫漂和高的2.500V電壓。智能傳感器微控制器通過(guò)3線SPI總線向U1發(fā)送命令。U1輸出經(jīng)過(guò)分壓并被Q1功率MOSFET、10Ω （±0.1%）檢流電阻（RSENSE）以及U2轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流。U1、U2和U3器件由U4供電，后者由環(huán)路直接供電。Q2、BJT晶體管和檢測(cè)電阻（R6）構(gòu)成限流電路，將環(huán)路電流限制在大約30mA，防止失控條件以及損壞PLC側(cè)的ADC。肖特基二極管（D1）保護(hù)變送器不受反向電流損害。

　　性能分析

　　參考設(shè)計(jì)工作于低功耗，所選元件的最大耗流在+25°C時(shí)小于200μA；在-40°C至+105°C溫度范圍內(nèi)小于300μA。U2運(yùn)算放大器在時(shí)間和整個(gè)溫度范圍的輸入失調(diào)電壓為25μV （最大值），理想用于高精度、高可靠性系統(tǒng)。10Ω檢流電阻允許使用較低的環(huán)路供電電壓；小電阻耗散功率較低，允許使用小封裝，從而進(jìn)一步減小變送器尺寸。例如，如果只有10Ω RSENSE和10Ω負(fù)載，其上最大壓降在30mA時(shí)為600mV。U4 LDO在提供3.3V輸出時(shí)只需連接4V電源電壓即可正常工作，最小環(huán)路電壓可低至5V。但是，如果PLC負(fù)載為250Ω，那么最小環(huán)路電源電壓必須為 4V + 30mA × （10 + 250）Ω = 11.8V。

　　注意，為了更精確地估算最小環(huán)路供電電壓，還必須考慮環(huán)路電源內(nèi)阻。

　　測(cè)試期間，輸出在10Ω時(shí)呈現(xiàn)出一定的噪聲。增大RSENSE電阻值將增大功耗和最小環(huán)路供電電壓，但也降低了環(huán)路噪聲。這種綜合平衡可由用戶控制。

　　U2運(yùn)算放大器跟蹤R2和RSENSE上的壓降，在其兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)維持0V。該電路滿足以下關(guān)系式：

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　　式中IOUT為環(huán)路電流 I（R2）為通過(guò)R2的電流。 I（R1）為通過(guò)R1的電流。 I（R3）為通過(guò)R3的電流。式2中，我們假設(shè)U2的IN+和IN-輸入電流為0。按照式1和式2，4mA初始環(huán)路電流由I（R3）電流設(shè)置，而I（R1）為0。所以：

（式3）

　　通過(guò)R3的電流等于U3電壓基準(zhǔn)輸出除以R3。式3可重寫(xiě)為：

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　　根據(jù)有關(guān)通過(guò)4–20mA電流環(huán)路發(fā)送故障信息的Namur NE43建議，測(cè)量信息的信號(hào)范圍為3.8mA至20.5mA，允許過(guò)程讀數(shù)發(fā)生略微的線性超量程。有些情況下，當(dāng)定義了附加故障條件時(shí)，甚至?xí)枰蟮膭?dòng)態(tài)范圍，比如3.2mA至24mA。因此，選擇R2 = 24.9kΩ，IOUT_INIT = 3.2mA，從式4求解R3，得到：

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　　1.945MΩ電阻成本較高，更重要的是，不太適合自動(dòng)化生產(chǎn)，也不利于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。因此，更好的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)的1%容限電阻，通過(guò)校準(zhǔn)確保U1 DAC的4mA失調(diào)電流和20mA滿幅電流精度。這種情況下，需要校準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)字編碼，以確保要求的精度。所以，I（R1） = VDAC/R1，其中VDAC為U1 DAC輸出電壓。上式重寫(xiě)為：

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　　及

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　　最后，式1可重寫(xiě)為：

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