基于差分信號調(diào)理芯片JHM1101的變送電路設計

0   引言

JHM1101是一款針對差分電阻橋式或半橋式傳感器信號設計的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可通過單線接口提供數(shù)字或模擬的測量輸出信號，為傳感器提供便捷、準確的測量結(jié)果。該芯片提供模擬和數(shù)字型輸出方式，比如rail-to-rail輸出，0~1 V輸出，數(shù)字信號輸出、PWM輸出。在工業(yè)類應用中，(4~20) mA型的電流是最常用的輸出方式，對此本文描述了應用JHM1101實現(xiàn)此電流輸出的方法及參考設計。

1   電路結(jié)構(gòu)設計

基于JHM1101的(4～20)mA輸出變送電路如圖1所示，其中U2就是JHM1101芯片，直接與傳感器連接。在保證SENSOR、U1、U2總工作電流不超過3.5 mA的前提下，通過這個V/I 電路可以實現(xiàn)將電壓型校準輸出轉(zhuǎn)變成(4~20) mA的電流型輸出。為了將輸出電流控制得比較小，電阻R_DD和R_OUT的阻值需要是10:1的比例關系，并且R_DD的阻值應該在MΩ級別。U1建議選用5 V低功耗rail-to-rail型的儀表放大器，如OPA337。穩(wěn)壓二極管ZD2在V_DD端提供電壓保護。Q2是N溝道的JFET管，用于將電源電壓穩(wěn)定到5 V，型號建議選擇MMBF4393。Q1是NPN型的三極管，選型時需要考慮它承受的耐壓值與功率，建議選擇BCX56。

依圖1的電流輸出與JHM1101的電壓的關系式ICL=f (V_OUT)如式1。

其中定義

這樣輸出電流就可以表示為：

圖1中各個電阻值為R_SENS=50 Ω，R_DD=1.2 MΩ，R_OUT=120 kΩ，R_BACK=24 kΩ，芯片的供電電壓V_DD=5 V，那么Gain=0.2 mA，Offset=2 mA。也就是說輸出電流與電壓構(gòu)成的關系式如下：I_CL=0.2 × V_DAC[%] + 2當期望的電流輸出范圍是(4~20) mA時，那么根據(jù)上式，可計算出VDAC范圍為10%~90%。

由于此電路采用了后端電流溫度補償方法，所以R_E、R_SENS、R_OUT、R_BACK、R_DD阻值精度在1%以內(nèi)，溫漂在100PPM以內(nèi)就可以了。在更高的精度及溫漂要求下，可以提高這幾個元件的精度。

2   濾波網(wǎng)絡設計

為確保輸入信號盡可能沒有噪聲，在傳感器輸出與JHM1101輸入引腳間放置1個低通濾波網(wǎng)絡，如圖2所示。

此輸入濾波器同時具有共模組件和差模組件。由于傳感器電壓信號是直流信號，為減弱任何可能出現(xiàn)的交流噪聲，這個低通濾波器的截止頻率可以設置為1個非常低的值。

此濾波器的截止頻率公式定義：

R₆=R₇；R₀=R₆+ R_B；C₅=C₇；C₆=10×C₅

將此差模濾波器的截止頻率設定為f_{C_DIFF}=40 Hz，可以有效地消減全部差模交流噪聲。共模濾波器的截止頻率應至少設定為10倍頻，以避免將共模噪聲（如50 Hz噪聲）轉(zhuǎn)換為JHM1101差分輸入信號。這里假設使用陶瓷芯體，其橋阻一般為10 kΩ左右，這里RB取值為10 kΩ。根據(jù)所需要的差模濾波器截止頻率，只須v計算出R₆和C5的數(shù)值，因為C₆共模濾波電容為C₅的10倍。在這里C₅取電容器的常用值10 nF，通過下面的公式算出R₆的數(shù)值：

將C₅=10 nF和f_{C_DIFF}=23 Hz代入上式，得出R6的理想值為：

R₀=18.94 kΩ

R₆= R₇= R₀- R_B=8.94 kΩ

通過這個理想值，選擇10 kΩ這個常用電阻作為標準值，使用R₆=10 kΩ和C₅=10 nF濾波器的最終截止頻率為：

f_{C_DIFF}=37.89 Hz

f_{C_CM}=1 591 Hz

在大多數(shù)應用時，低通濾波截止頻率不需要十分精確。所以C₅、C₆、C₇電容值達到10%的精度，R6、R7電阻值達到1%的精度就可以了。在要求很高精度的應用中，例如需要更精確的低通濾波截止頻率，可以提高這幾個元件的精度。

3   外部保護電路

為了確保模塊在操作人員的誤操作和極端惡劣的環(huán)境下不損壞，在模塊的電流出入端增加了外部的保護電路，如圖3所示。

2個高壓低容量電容C₁、C₂提供1個高頻干擾對大地的通道，還可抑制分布電容的影響。2個磁珠F₁、F₂在臨界交流頻率時，呈高阻抗，并且提供低直流電阻。C₁、C₂、F₁、F₂相互配合，可提供EMI的保護。

1個肖特基二極管D1和1個雙向TVS二極管提供ESD、EFT和浪涌保護。BAS170WS保證在電源連接極性相反時，不會有電流經(jīng)過電流環(huán)路。這個肖特基二極管針對電壓在70 V以內(nèi)的極性保護。這個模塊電流環(huán)路設計的最高電壓是30 V，所以ZD1選用一個擊穿電壓稍高于30 V的雙向TVS管。選擇ZD1時還需注意，它的漏電電流不應超過5 μA，否則會對電流的輸出結(jié)果產(chǎn)生影響。

電路的入口處的電容C₃為去耦電容，這個電容可以保證在長線的感性負載下，電路不震蕩。

電容C₁、C₂需要有一個高耐壓值和小電容值，這里選擇耐壓值為1 kV，電容量為10 nF的貼片電容。磁珠F₁、F₂需要有一個在高頻時的較高電阻和直流的低阻值，這里選擇MMZ1608Y152B磁珠。TVS二極管ZD1需要選擇擊穿電壓稍高于30 V，又能經(jīng)受大電流瞬間沖擊，和1 nS以內(nèi)響應速度，這里選擇SMBJ30CA。C3的選擇主要考慮耐壓值及電容值，這里選擇耐壓值50 V，電容值為100 nF的貼片電容。

4   電路校準原理

實際電路電阻的阻值總是存在著誤差，因此第2節(jié)中的電流與電壓的關系式就構(gòu)成如下關系式：

為實現(xiàn)更高精度，在校準過程中需要增加1個校準電路步驟，目的是要計算出上式中的ΔGain ， ΔOffset ，進而計算出實際電壓輸出值。校準步驟如下。

1) 由第二節(jié)中的公式，根據(jù)電流輸出，計算出2個理論的電壓輸出百分比值；

2) 控制JHM1101的DAC輸出，使之輸出相應的百分比對應電壓；

3) 采集對應的兩個電路電源端實際電流；

4) 計算出ΔGain ， ΔOffset ；

5) 將計算出的ΔGain ， ΔOffset 代入公式，計算出電流輸出實際應該對應的電壓輸出；

6) 將實際電壓輸出百分比作為電橋輸出期望值，再進行傳感器的校準操作。

5   電流溫度補償原理

在實驗過程中，即使_RSENS、R_OUT、R_BACK、R_DD這4個電阻精度達到0.1%，溫度系數(shù)達到10-5以內(nèi)，使用普通前端補償方法校準出的電流輸出信號依然溫漂很大。

這是因為電流輸出的溫度漂移和R_SENS、R_OUT、R_BACK、R_DD的溫度系數(shù)及JHM1101內(nèi)部R_trim的校準精度都有關系，使得難以補償出全溫區(qū)溫漂達到0.5%以內(nèi)的變送器，現(xiàn)在使用電流溫度補償方法可以很好地解決這種問題。

電流溫度補償方法比較簡單分成以下4步實現(xiàn)。

1) 在常溫下，校準出(4～20) mA信號，得到Gain_B和Offset_B兩個參數(shù)。

2) 將(4～20) mA的電流信號變換成百分比數(shù)據(jù)。

3) 采集低溫和高溫的電流信號，并變換成百分比數(shù)據(jù)。

4) 通過校準算法計算出TC_g、TC_o、SOT等參數(shù)，完成溫度甚至二階補償。

6   PCB電路板設計

這個設計可以采用圓形雙層PCB(印制板)，直徑為20 mm，如圖4所示。這個尺寸的PCB在變送器設計中很常見，稍加改動就可以輕松實現(xiàn)實際應用。由于PCB尺寸較小，所以元件的放置就比較緊密，JHM1101由于可能使用內(nèi)部溫度傳感器所以和測溫二極管及低通濾波元件放置于底層，也就是最靠近傳感器的位置。V/I轉(zhuǎn)換及外部保護元件則放置于頂層。PCB板實物如圖5所示。

圖4 PCB布局布線

圖5 PCB板實物

為了防止浪涌帶來的電磁干擾，接地電容C₁、C₂和Z_D1貼近電流出入口P2放置。Sensor信號到低通濾波器和JHM1101輸入腳的走線盡量做到最短，避免模擬信號的連線引入噪聲。調(diào)試口連線需遠離模擬信號，防止串擾。去耦電容C4、C8放置在非?？拷嚓P電源引腳的位置上。雙面大面積覆銅提供非常低的對地阻抗，必要時可增加過孔連接雙側(cè)的覆銅，可以減小電流流過單個過孔時產(chǎn)生的電磁干擾。

Q1的內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱量會導致環(huán)境溫度變化，這個溫度變化會導致RSENS、ROUT、RBACK、RDD的阻值和JHM1101精度發(fā)生變化，所以Q1擺放盡可能遠離RSENS、R_OUT、R_BACK、R_DD和JHM1101。在圖5的PCB布局布線圖中可以發(fā)現(xiàn)，Q1除遠離對溫度敏感元件擺放外，在它們之間還開了熱隔離槽，盡可能地降低Q1發(fā)熱對模塊精度的影響。

7   測試結(jié)果

至此，基于JHM1101的(4～20) mA輸出變送電路設計完成。還需要說明的是供電電壓與負載關系，如圖6所示，以及電路上電的穩(wěn)定時間，如圖7所示。

圖7 上電輸出穩(wěn)定時間測試圖

由此設計可得出較為理想的測試數(shù)據(jù)，以下為使用陶瓷壓阻芯體，在25 ℃下單溫度點校準后，在25 ℃和85 ℃下的測試數(shù)據(jù)，提供給大家參考。

1）25 ℃時的測試數(shù)據(jù)

2）85 ℃的測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試，在25~85 ℃溫區(qū)內(nèi)，搭配陶瓷壓阻芯體，此電路可以達到1%FS以內(nèi)的精度（包括陶瓷壓阻芯體的溫漂），符合設計要求。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）