摘要：

針對傳統(tǒng)的兩線制表頭在高低溫環(huán)境下測量精度差、溫漂大的特點，現(xiàn)提出一種可滿足高低溫環(huán)境使用需求的兩線制高精度數(shù)顯表頭設(shè)計方案，此方案在高低溫環(huán)境下測量精度高、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強。

引言

針對傳統(tǒng)形式的兩線制無源表頭多采用單片機、高精度ADC、顯示驅(qū)動等分立器件實現(xiàn)，存在功耗大、精度低、工作溫度范圍窄等缺點。本文將介紹一種基于數(shù)模混合型SoC實現(xiàn)的兩線制高精度無源表頭方案，所需外圍電路少，能很好地控制溫漂對測量精度的影響。

圖1. 兩線制無源表頭實物圖

系統(tǒng)工作原理

兩線制無源表頭通過電流環(huán)路取電，同時準(zhǔn)確的測量環(huán)路電流值，并將測量結(jié)果通過算法轉(zhuǎn)換成各種物理量，如圖2所示。

根據(jù)無源表的工作原理，需要在原有的電流環(huán)路中串接一個取樣電阻和穩(wěn)壓管，取樣電阻用于檢測環(huán)路電流值，穩(wěn)壓管產(chǎn)生表頭系統(tǒng)的工作電源。無源表多用于變送器輸出的電流環(huán)路信號測量，變送器通常使用24V供電，因此，無源表的環(huán)路阻抗和壓降都有要求，且無源表正常工作時的功耗要小于3mA。

根據(jù)上面的要求，除要選擇低功耗微控制器外，電流取樣電阻要盡可能小（100R以下），才能保證無源表工作時不對原有的電流環(huán)路造成影響。

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圖2. 兩線制無源表頭工作原理圖

硬件系統(tǒng)設(shè)計

通過分析無源表的需求，硬件系統(tǒng)需要包括CPU模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、測量模塊、存儲模塊、電源模塊。本文先后選取XX7420和晶華微的SD7501T4為核心進(jìn)行分析，XX7420只能實現(xiàn)3-3/4的范圍顯示，且不支持物理單位的轉(zhuǎn)換算法，測量精度只有0.5%，采用滑動變阻器對精度和偏置進(jìn)行調(diào)整，難以保證表頭長期工作的可靠性。而晶華微的SD7501T4相較于XX7420，能夠更好地保證工業(yè)測量精度的精確性和可靠性。下文將重點分析以晶華微的SD7501T4為核心實現(xiàn)的兩線制高精度無源表頭方案。

SD7501T4提供了一種四位顯示的兩線制高精度無源表完整方案，支持LCD/LED兩種顯示方式，支持兩路開關(guān)量輸出，內(nèi)置多種物理量轉(zhuǎn)換算法、多點校準(zhǔn)算法和溫度補償算法，可在-25℃～75℃的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)0.1%以上的綜合測量精度。SD7501T4方案使用5.1R電阻取樣，對電流環(huán)路的阻抗影響較小，且支持待機與休眠模式，對功耗的控制更好。SD7501T4基于SD7501開發(fā)實現(xiàn)，內(nèi)部集成了PGIA、24位Σ-△ADC、基準(zhǔn)、DSP、eprom和顯示驅(qū)動等關(guān)鍵電路，使用數(shù)模混合型SOC（SD7501）在較大限度的簡化外圍電路的同時，能夠很好地保證模擬參數(shù)測量的精度和溫漂特性。基于SD7501T4實現(xiàn)的無源表電路如圖3所示。

圖3. 基于SD7501T4實現(xiàn)的無源表電路圖

軟件系統(tǒng)設(shè)計

采用SD7501T4設(shè)計兩線制高精度無源表不需要考慮軟件，芯片內(nèi)部已包含固件，除測量、顯示外，還包括菜單編程、校準(zhǔn)、溫度補償和報警輸出功能，因此，只需要根據(jù)參考電路完成PCB設(shè)計，便可快速完成兩線制表頭產(chǎn)品。

結(jié)語

由SD7501T4設(shè)計的兩線制高精度無源表頭能夠在-25℃～75℃環(huán)境中工作，由4～20mA的電流環(huán)供電，同時采集回路中電流并顯示。由于其功耗低、工作溫度范圍寬、采集精度高和成本低等特點，因而有著較高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)價值。該表頭已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境測試與精度測試，在60℃高溫下連續(xù)工作72h，采集精度能達(dá)到±0.1%。具有運行穩(wěn)定性強、采集數(shù)據(jù)精度高，硬件設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單，整機可靠性高等優(yōu)勢。