本應(yīng)用筆記解釋了4–20mA電流環(huán)路和智能發(fā)送器，并解釋了它們對(duì)高分辨率低功耗DAC的需求。

在設(shè)計(jì)混合3V/5V微處理器控制系統(tǒng)時(shí)，最佳電源芯片并不是唯一需要做出的關(guān)鍵選擇。由于越來(lái)越多的系統(tǒng)需要能夠進(jìn)行低壓?jiǎn)?dòng)的低功耗組件，因此也歡迎具有近乎理想規(guī)格（包括3V/5V操作）的最先進(jìn)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)今流行的工業(yè)控制應(yīng)用，如可編程邏輯控制器、工廠過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）和智能變送器，都需要低功耗半導(dǎo)體。與這一趨勢(shì)相一致的是使用4-20mA電流環(huán)路，這已成為工廠環(huán)境中主機(jī)和智能變送器之間模擬通信的成熟部分。本文介紹智能變送器，并解釋它們對(duì)高分辨率低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器的需求。

4–20mA 傳感器的基本要求

為了在嘈雜的工業(yè)控制環(huán)境中傳輸幾百碼的低振幅低頻信號(hào)，電流優(yōu)于電壓，因?yàn)槿魏螘r(shí)刻的電流在電纜的整個(gè)長(zhǎng)度上都是恒定的。不建議進(jìn)行電壓傳輸，因?yàn)槿魏吸c(diǎn)的電壓都取決于線路電阻和電容，它們隨電纜的長(zhǎng)度而變化。電流傳輸還允許單根 2 芯電纜同時(shí)傳輸電源和信號(hào)。

在傳輸線的末端，一個(gè)精密的終端電阻將環(huán)路電流轉(zhuǎn)換為精確的電壓。該電阻（典型值為50Ω至750Ω）建立電流環(huán)路接收器的輸入阻抗。高信號(hào)源阻抗可最大限度地減少由線路電阻變化引起的端接電阻兩端的電壓波動(dòng)，但它也會(huì)拾取更多的EMI和其他工業(yè)干擾。大值旁路電容有助于降低信號(hào)源阻抗，從而減少EMI拾取。總而言之，電流環(huán)路具有四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

無(wú)振幅損失的長(zhǎng)距離傳輸

檢測(cè)離線傳感器、斷開(kāi)的傳輸線等 失敗

便宜的 2 芯電纜

更低的電磁干擾靈敏度

數(shù)字控制 4–20mA 電流環(huán)路

智能變送器包含一個(gè)處理器或控制器，可將傳感器數(shù)據(jù)線性化并將其傳送到主機(jī)系統(tǒng)。如圖1所示，這些系統(tǒng)采用五個(gè)通用構(gòu)建模塊：A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器（μC）、一些RAM、帶可選集成放大器的D/A轉(zhuǎn)換器以及傳感器或傳感器（熱電偶、應(yīng)變片、PT100 RTD1等）。

圖1.包含μP/μC智能功能使該電路成為“智能”4–20mA發(fā)送器。

單通道發(fā)射器中的ADC通常包括補(bǔ)償電路，多通道系統(tǒng)中的ADC通常包括一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器和多路復(fù)用器。復(fù)雜的ADC/DAC組合可以補(bǔ)償傳感器的失調(diào)、失調(diào)溫度系數(shù)、全跨輸出、全跨輸出溫度系數(shù)和非線性。Maxim為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)了0.1%精度的新型智能信號(hào)調(diào)理器系列。

該四成員系列中的首批產(chǎn)品（MAX1450和MAX1457）現(xiàn)已上市。未來(lái)的成員包括MAX1458，這是一款信號(hào)調(diào)理器，用于壓阻傳感器的內(nèi)部校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償（通過(guò)使用板載EEPROM的電子調(diào)整）。另一款針對(duì)相同用途優(yōu)化的未來(lái)產(chǎn)品（MAX1460）是高度集成、基于信號(hào)處理器的數(shù)字補(bǔ)償信號(hào)調(diào)理器。

如果傳感器必須駐留在爆炸性環(huán)境中，安全措施不僅需要防止接地回路的隔離柵，還需要“本質(zhì)安全”的操作;這是將發(fā)射器能量水平限制在能夠產(chǎn)生放電的水平以下的規(guī)則。這種系統(tǒng)的隔離柵通常位于電源側(cè)。對(duì)于非本質(zhì)安全的智能變送器系統(tǒng)，隔離柵可以放置在微控制器（μC）與調(diào)理和數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)之間。數(shù)據(jù)可以通過(guò)通用光耦合器（如6N136、4N26或IL300）跨越此屏障傳輸。

傳感器電壓必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精確數(shù)字化，最好是具有高分辨率和板載校準(zhǔn)功能的轉(zhuǎn)換器，以便在信號(hào)到達(dá)控制處理器之前消除系統(tǒng)和元件漂移誤差。然后，處理器讀取數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理，并通過(guò)低功耗高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器將其傳輸?shù)?–20mA電流環(huán)路。

下一步是更智能的電路，稱為智能變送器（圖 2）。智能變送器將用于存儲(chǔ)變送器信息的換能器信號(hào)和存儲(chǔ)器與微型計(jì)算機(jī)的雙向通信技能相結(jié)合。通過(guò)附加的A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)可以生成有關(guān)電流環(huán)路條件的數(shù)據(jù)，從而可以通過(guò)μC進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。

圖2.μP/μC智能與傳感器的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生了一個(gè)“智能”的4–20mA發(fā)射器。

Maxim的新型低功耗低壓D/A轉(zhuǎn)換器滿足數(shù)字可調(diào)4–20mA電流環(huán)路的兩個(gè)要求：3V/5V電源電壓能力，以及能夠控制外部MOSFET柵極電壓的內(nèi)部放大器。這種配置的唯一缺點(diǎn)是需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部n溝道MOSFET，這需要更高的電源電壓。如果未在板上提供，則必須通過(guò)外部升壓電路實(shí)現(xiàn)此電壓。

幸運(yùn)的是，大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用提供高電壓和低電壓，以支持3V/5V可編程邏輯控制以及需要高達(dá)36V（典型值為24V）電壓的傳感器（壓電、壓力、溫度和流量）。隨著元件供應(yīng)商適應(yīng)行業(yè)對(duì)低功耗的需求，共閾值MOSFET（可由+5V單電源控制）的使用正在迅速普及。

通過(guò)將運(yùn)算放大器和MOSFET與表4中的D/A轉(zhuǎn)換器之一組合在一起，可以創(chuàng)建一個(gè)可靠的、數(shù)字可調(diào)的20–1mA電流環(huán)路。這些數(shù)模轉(zhuǎn)換器大多具有施密特觸發(fā)器輸入，可直接與隔離系統(tǒng)中的光耦合器接口。

表 1.用于 4–20mA 電流環(huán)路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器

型	分辨率	可變可變電范圍	DAC	上電復(fù)位	關(guān)閉	施密特觸發(fā)器輸入	用戶可編程輸出	內(nèi)部參考	軌到軌 輸出	包*
MAX5354	10	5V ± 10%	1							微最大
MAX5355	10	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX5251	10	3V 至 3.6V	4							SSOP
MAX5352	12	5V ± 10%	1							微最大
MAX5353	12	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX531	12	5V ± 10%	1							所以
MAX5156	12	5V ± 10%	2							QSOP
MAX5157	12	2.7V 至 3.6V	2							QSOP
MAX5253	12	3V 至 3.6V	4							SSOP
MAX535	13	5V± 10%	1							微最大
MAX5351	13	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX5152	13	5V ± 10%	2							QSOP
MAX5153	13	2.7V 至 3.6V	2							QSOP

*除列出的封裝外，所有部件均以 DIP 形式提供。

圖13所示的3位低功耗電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器包括可直接驅(qū)動(dòng)外部MOSFET的精密輸出放大器。您也可以使用外部運(yùn)算放大器旁路該內(nèi)部放大器。 SPI?、QSPI?和Microwire?兼容性簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)接口，使其適合與工業(yè)控制應(yīng)用中的大多數(shù)處理器和控制器配合使用。

圖3.這種簡(jiǎn)單的數(shù)字可調(diào) 4–20mA 電流環(huán)路適用于中等距離傳輸。

在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸期間，轉(zhuǎn)換器的力和檢測(cè)引腳（OUT和FB）可立即補(bǔ)償接收器處的誤差電壓。這些與內(nèi)部用戶可編程輸出放大器的連接還允許您配置簡(jiǎn)化的電流環(huán)路（圖 4）。

圖4.在圖3電路中增加一個(gè)高壓運(yùn)算放大器可為MOSFET提供強(qiáng)勁的柵極驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離電流環(huán)路傳輸。

一個(gè)外部MOSFET（表2）以50Ω電阻確定的電流驅(qū)動(dòng)環(huán)路：

IOUT = （VREF/RSENSE）（DIN/2N）

DAC 的分辨率為 N，其輸入代碼的十進(jìn)制等效值為 D在，表示傳感器經(jīng)微機(jī)處理后的數(shù)字化輸出。串行、3V/5V MAX535/MAX5351轉(zhuǎn)換器的分辨率為13位，滿量程范圍為2N= 213= 8192。用于1.2V基準(zhǔn)、50Ω檢流電阻和滿量程DAC輸出D。在= 8192，輸出電流為I外= V裁判/R意義= 1.2V/50Ω = 24mA。

MAX1/MAX200基準(zhǔn)輸出典型值為6120.6520V，非常適合這些應(yīng)用。MAX100的精度為30ppm/°C （典型值為6120ppm），高精度MAX50的精度為25ppm/°C （典型值為6520ppm）。圖3和圖4中的小封裝（MAX535/MAX5351為μMAX，MAX23/MAX6120為SOT6520）支持空間受限應(yīng)用。一些工業(yè)控制電流環(huán)路具有60Ω檢測(cè)電阻，允許的最大環(huán)路電流僅為20mA。這還不夠，因?yàn)榇蠖鄶?shù)環(huán)路必須能夠提供10%的超量程（即，在這種情況下為20mA + 2mA = 22mA）。將基準(zhǔn)電壓設(shè)置得略高（至1.44V）可解決此問(wèn)題。

表 2.用于 4–20mA 電流環(huán)路的 N 溝道 MOSFET

監(jiān)控通過(guò)電機(jī)塊的峰值電流

工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的另一個(gè)應(yīng)用是同步/異步電機(jī)和伺服電機(jī)的數(shù)字控制。圖5中的電路檢測(cè)電機(jī)模塊中的過(guò)大電流（即超過(guò)可調(diào)閾值的電機(jī)電流），并顯示該值或反饋該值，供控制器或嵌入式處理器用于調(diào)節(jié)電流環(huán)路。為了獲得最大的靈活性，系統(tǒng)應(yīng)允許您隨時(shí)將此閾值設(shè)置為允許范圍內(nèi)的任何級(jí)別。

圖5.當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)中的過(guò)大電流時(shí)，該數(shù)字控制的電流監(jiān)視器會(huì)向μP發(fā)出警報(bào)。

IC4是一款高端電流檢測(cè)放大器，其電流源輸出（OUT）提供的電流等于流經(jīng)其RG1/RG1000端子的監(jiān)控電流的1/2。OUT 電流產(chǎn)生 R 中的電壓外與電機(jī)電流成比例，比較器（IC3）將該電機(jī)電流信號(hào)與DAC設(shè)置的閾值電壓進(jìn)行比較。DAC輸出表示的跳變閾值可以通過(guò)用戶界面進(jìn)行編程，從另一個(gè)系統(tǒng)發(fā)送或存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。作為另一種選擇，外部A/D轉(zhuǎn)換器可以使該閾值依賴于其他條件或參數(shù)。

10位串行輸入DAC的可變?cè)鲆孑敵黾?jí)可以針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行配置，類似于圖5所示的單極性情況。為了適應(yīng)雙極性信號(hào)，輸出級(jí)的可訪問(wèn)反相輸入允許您形成具有增益的反相或同相放大器。

經(jīng)μP處理后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)3線接口以單個(gè)16位字或兩個(gè)8位字（3個(gè)控制位和10+3個(gè)數(shù)據(jù)位）的形式饋送到DAC。DAC的雙緩沖輸入級(jí)使其能夠加載新數(shù)據(jù)，而不會(huì)干擾DAC寄存器中的“舊”數(shù)據(jù)。DAC的輸出電壓擺幅由輸出增益和外部基準(zhǔn)電壓決定。例如，增益為2和5.50V、6125ppm/°C的MAX0產(chǎn)生5V至6325V的輸出擺幅。為了獲得更好的精度和更低的噪聲，請(qǐng)選擇MAX1，其輸出噪聲為5.1μVp-p，溫度系數(shù)為2ppm/°C至5.<>ppm/°C。

因此，比較器輸出保持高電平，直到電機(jī)電流超過(guò)DAC輸出門限;然后，它提供從低到高的μP轉(zhuǎn)換。大部分電機(jī)電流由分流電阻器轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致比較器反相輸入端的電機(jī)電流信號(hào)表達(dá)式如下：

VOUT = (RSHUNT*ROUT*IMOTOR)/RG, where

VOUT為MAX4172輸出電壓，
RSHUNT是檢流電阻，
ROUT是電壓設(shè)定電阻，
IMOTOR是滿量程感測(cè)的電機(jī)電流，并且
RG = RG1 = RG2 是增益設(shè)置電阻。

Maxim目前正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品包括帶內(nèi)部基準(zhǔn)的13位DAC和精度更高的14位DAC。此外，還開(kāi)發(fā)了代表傳感器和微控制器之間的調(diào)節(jié)和數(shù)字化功能的產(chǎn)品。例如，新型16位過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（MAX1400，來(lái)自Maxim的新型低功耗16位Δ-σ轉(zhuǎn)換器系列）旨在滿足行業(yè)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)數(shù)字化的需求。

審核編輯：郭婷