智能4-20mA變送器設(shè)計(jì)(06-100)

　　對(duì)于智能變送器系統(tǒng)，隔離壁壘可放置在微控制器和數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)之間。用磁耦合器跨接壁壘進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸，這是一個(gè)好的替代光耦合器方法，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　·較低的功率可使熱耗降低；

　　·性能更可靠(無LED老化或溫度靈敏度)；

　　·數(shù)據(jù)率較快；

　　·一個(gè)器件上有多個(gè)通道，使空間顯著縮小；

　　·DC精度較高。

　　數(shù)字隔離器(如ADI公司的ADuM101)簡化了ADC和控制器之間的3線串行接口通信，并擁有一個(gè)附加通道，使其包含數(shù)據(jù)讀回功能(圖3)。

　　在智能變送器中，微控制器功能分擔(dān)獲得主機(jī)測量信號(hào)、存儲(chǔ)變送器的信息、管理通信系統(tǒng)(通信系統(tǒng)可以把兩路通信放在用于承載測量信號(hào)的同一電路上)的任務(wù)。智能變送器包含共同采用的HART協(xié)議。
　　
　　適當(dāng)?shù)卣{(diào)理數(shù)字化數(shù)據(jù)后，用DAC通過4-20mA電流環(huán)進(jìn)行傳輸，圖4示出如何用DAC、電阻器和MOSFET EFT產(chǎn)生數(shù)字控制的4-20mA電流環(huán)。用于控制4-20mA電流環(huán)的DAC必須是高精度、低功率、低電壓，并且能控制外部MOSFET的柵板電壓及內(nèi)部放大器，使設(shè)計(jì)任務(wù)簡化。DAC上的SPI、QSP1、I2C和Microwire兼容接口簡化了接口連接，使其可與當(dāng)今的大多數(shù)處理器和控制器一起使用。

　　這些配置唯一缺點(diǎn)是需要驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，這需要很高的電源電壓。大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用提供支持3V和5V邏輯控制和傳感器的低和高電壓，而傳感器可能需要高達(dá)36V(額定值24V)電壓。在圖5中，外部MOSFET驅(qū)動(dòng)電流環(huán)，其驅(qū)動(dòng)電流由下式確定：

　　其中Rsense為50Ω感測電阻器，N是DAC的分辨率，D是輸入碼的十進(jìn)制等效值(表示處理之后的傳感器數(shù)字化輸出)。對(duì)于AD5660 DAC，串行輸入分辨率是16位，滿標(biāo)范圍是2N=216=65536。對(duì)于1.25V基準(zhǔn)、50Ω感測電阻器和滿標(biāo)DAC輸出D為65536，輸出電流Iout=Vref/Rsense=1.25V/50Ω=25mA。在大多數(shù)應(yīng)用中，電流環(huán)必須能給出10%或更大的過范圍值。

　　對(duì)于處理遠(yuǎn)程位置而無本地電源的變送器(如流量表)，電路必須由4-20mA環(huán)供電。此時(shí)，應(yīng)用需要電壓穩(wěn)壓器，變換環(huán)電壓到各種傳感器電路工作所需的固定3V/5V電壓。電壓穩(wěn)壓器可以是任何低成本器件，其靜態(tài)電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于4mA。

　　結(jié)語

　　越來越多的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用在精確測量、控制不同過程和傳輸數(shù)據(jù)方面需要低功率轉(zhuǎn)換器。這些末端應(yīng)用需要有增加性能，耐用和特性的產(chǎn)品，同時(shí)降低成本和板大小。智能4-20mA變送器正是這種器件。元件制造商正在解決這些問題，正在為現(xiàn)在和將來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供大量轉(zhuǎn)換器和隔離產(chǎn)品。(京湘)