誤差分析和性能優(yōu)化 - 滿足工業(yè)需求的高性能/高精度/4–20mA電流環(huán)變送器

　　+25°C下變送器誤差

　　表1所示為+25°C時4–20mA電流環(huán)路中的無源元件和VREF的誤差分析，數(shù)據(jù)基于式8。該表可供下載，建議設(shè)計者利用數(shù)據(jù)表進行結(jié)果分析，找到4mA、20mA及24mA IOUT的對應(yīng)編碼。

　　因此，如果R3電阻為1%容限的2MΩ標準電阻，將U1 DAC設(shè)置為2682十進制碼，那么得到的初始環(huán)路電流為4.00015mA。注意，由于高分辨率U1 DAC校準消除了個體元件的誤差，計算得到的總誤差遠遠小于個體元件的容限。

　　4–20mA電流環(huán)變送器的有效位數(shù)（ENOB）計算如下：

　?。ㄊ?）

　　根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，ENOB等于15.56位。所以，總分辨率誤差小于0.5位允許自動校準，也可節(jié)省昂貴的精密元件數(shù)量。

　　表1所選電阻覆蓋了3.2mA至24.6mA電流環(huán)動態(tài)范圍。R1、R2、R3和RSENSE的不同組合可縮小動態(tài)范圍，應(yīng)密切注意每個電阻的溫度系數(shù)（TC）。

　　變送器溫度漂移誤差分析

　　利用下式計算最小和最大電阻偏移：

　（式10）

?。ㄊ?1）

　　式中，TC為溫度系數(shù)，單位為ppm/°C；ΔT為總溫度范圍145°C。

　　從表2可知，當R1、R2、R3和RSENSE的溫度系數(shù)取以下值時，得到的誤差為0.05% FS。

　　R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C

　　R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C

　　R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C

　　RSENSE = 10Ω ±0.1%，10ppm/°C

　　注意，總誤差為每個誤差源的平方和的平方根：元件容限、元件溫度系數(shù)、測量值等。

　　如果智能傳感器的耗流超過3.4mA，則不能用于環(huán)路供電的2線變送器。例如，當微控制器或ADC的耗流超過3mA，或者檢測元件需要較高供電電流來提高動態(tài)范圍和/或分辨率時，就會發(fā)生這種情況。此時，額外的電流必須通過附加的第三根線。可改進這種配置（稱為3線發(fā)送器），如圖2所示，該設(shè)計使其成為通用的2線或3線智能傳感器變送器。

　　圖2. 通用2線或3線智能變送器框圖。

　　圖2中的U5運算放大器和Q3緩沖器監(jiān)測虛地，持續(xù)維持智能變送器的公共端，使其保持在U4輸出的恒定電壓。U5運算放大器必須能夠支持12V最大供電電壓，PLC RLOAD/檢測電阻值高達250Ω。C8和R8負反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定環(huán)路電流，以及確保正常預(yù)期條件下的穩(wěn)定性。

　　選擇功率晶體管和保護元件

　　Q1功率晶體管無特殊要求，可以是MOSFET或雙極型功率晶體管，滿足最大安全、工作區(qū)要求即可。例如，如果環(huán)路電源為36V，最大限流為35mA，那么最大功耗要求為1.26W。要謹慎處理PCB布局、走線寬度及散熱能力。

　　肖特基二極管（D1） （見圖1）為安全器件，防止反向電流損壞變送器。此外，可在LOOP+和LOOP-輸入之間增加一個瞬態(tài)電壓抑制器（D2，方框圖中未顯示），防止過壓浪涌條件。D1和D2的要求取決于具體應(yīng)用的安全規(guī)格。