傳感器變送器簡化工業(yè)設(shè)計 - 全文

　　傳感器變送器常用于在過程工業(yè)中幫助控制溫度、壓力和流量等參數(shù)。例如，我們可以在食品飲料、制藥和環(huán)境控制過程中看到溫度變送器（TT）。在化學工業(yè)中，溫度變送器用于確?；瘜W反應器中的溶液保持在某個恒定溫度。

　　傳感器變送器的基本功能有3個：收集傳感器數(shù)據(jù)；隔離傳感器與中央控制器；沿4~20mA環(huán)路發(fā)送代表測得數(shù)量的電流。開發(fā)傳感器變送器應用的工程師都面臨一個問題：設(shè)計時間曠日持久。設(shè)計期間，工程師必須為每種傳感器進行專門配置并開發(fā)一些特殊的功能。

　　溫度變送器的基礎(chǔ)知識

　　圖1顯示了一款典型的溫度變送器方塊圖。它讀取溫度敏感元件（例如熱電偶等）采集的數(shù)據(jù)，然后通過一條較長的線纜將這一信息發(fā)送出去。

　　圖1：典型的溫度變送器方塊圖。

　　我們可以將各種溫度傳感器連接至變送器的模擬前端（AFE），該模擬前端用于處理傳感器信號的采集和調(diào)節(jié)。信息被傳送至微控制器進行信號處理，最后再以電流的形式通過隔離層向環(huán)路發(fā)送。溫度變送器由該環(huán)路自身供電，因此，在達到最高精度的同時使功耗盡可能降低至關(guān)重要。

　　溫度傳感應用

　　各種傳感器被用于監(jiān)測溫度，例如電阻溫度檢測器（RTD）和熱電偶。

　　RTD的電阻隨溫度而變化，這些傳感器所使用的最常見的材料是鉑。RTD有一系列阻抗的產(chǎn)品可供選擇，三種常見工業(yè)標準是Pt100（100O）、Pt500（500O）和Pt1000（1000O），RTD常用于-200~800℃之間的應用中。

　　熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。與溫度相關(guān)的金屬結(jié)點處產(chǎn)生電壓。該結(jié)電壓與被稱為冷接點的參考電壓進行比較。所有熱電偶都要求冷接點參考電壓維持在某個已知的溫度下。冷接點傳感器對冷接點溫度進行監(jiān)測，利用一個模擬溫度傳感器（如LM94022）便可以完成這項任務。利用熱電偶電壓和冷接點電壓之差便可計算出熱電偶接點的溫度。熱電偶可以應用到RTD類似的應用中，但精度不同。然而，其卻更加牢靠，并且能夠處理-270~2300℃的溫度范圍。

　　在圖2中，LMP90080在傳感器和微控制器之間提供了完整的信號通路。它具有一個靈活的輸入多路復用器，能夠讓任何輸入引腳連接到任何A/D轉(zhuǎn)換器輸入，從而使其能夠與眾多的傳感器（包括熱電偶、2、3、4線RTD以及熱敏電阻器）實現(xiàn)接口。傳感器AFE擁有兩個可編程的匹配電流源，能夠以100μA步長調(diào)節(jié)至1mA最大值。這樣便可支持電阻傳感器，例如RTD等。增益可以以1~128的二進制因子調(diào)節(jié)，并且設(shè)計人員能夠以單周期設(shè)置選擇輸出數(shù)據(jù)速率（介于1.6775和214.65樣本/s之間的8個值），從而使其能夠連接到各種傳感器。

　　圖2:LMP90080在傳感器和微控制器之間提供了完整的信號通路。

　　LMP90080是引腳到引腳兼容產(chǎn)品系列的一員。它允許設(shè)計人員使用相同的布局，通過選擇不同的特性來對設(shè)計進行優(yōu)化，例如分辨率、差分通道和集成電流源等。其他特性包括連續(xù)的背景校正和診斷。

　　連續(xù)背景校正對A/D轉(zhuǎn)換器的增益和偏移誤差進行補償，在實際上消除了隨時間和溫度變化產(chǎn)生的漂移。校正在不出現(xiàn)任何轉(zhuǎn)換中斷的情況下在背景下完成。這樣便提高了終端產(chǎn)品在壽命期間的性能，并幫助縮短了與現(xiàn)場校正相關(guān)的停機時間。

　　傳感器診斷也在背景下完成，并且不會影響信號通路性能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器短路、開路和溢出信號的檢測。LMP90080還擁有一個強健的具有循環(huán)冗余檢驗的串行外設(shè)接口（SPI），以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

　　這些產(chǎn)品均由Webench傳感器AFE設(shè)計工具提供支持，其可對傳感器模擬信號通路解決方案進行設(shè)計、性能評估以及優(yōu)化。它允許導出AFE配置，用于微控制器代碼。另外，評估系統(tǒng)允許設(shè)計人員連接傳感器、修改設(shè)計、為傳感器AFE IC加載配置數(shù)據(jù)以及對完整解決方案進行評估。

　　4~20mA電流環(huán)路是一個用于遠距離模擬測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)標準，其中，兩線傳感器使用電流來表示測量值。電路環(huán)路傳輸常用于工業(yè)中，因為它擁有強健的抗干擾能力，并且非常適合于遠距離傳輸。另外，它的成本較低，并可以用于存在爆炸隱患的區(qū)域。

　　DAC161P997（見圖3）通過將所有精密元件都集成到一塊芯片上，簡化了電流環(huán)路設(shè)計。只需要少數(shù)幾個外部器件，便可以實現(xiàn)低功耗、高精度的工業(yè)用4~20mA變送器。

　　圖3:DAC161P997簡化電流環(huán)路設(shè)計。

　　DAC161P997具有一個單線接口，它是一種強健的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸解決方案--相比SPI接口的解決方案，它可以輕松地實現(xiàn)電流隔離。數(shù)字數(shù)據(jù)格式支持在不丟失數(shù)據(jù)（可能影響脈寬調(diào)制方案的問題）的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　器件OUT引腳提供的輸出電流可表示為：

　　I loop =（DACCODE/2 ^16）/24mA

　　有效的DACCODE范圍為滿16位代碼間隔（0x0000~0xFFFF）。

　　如圖3所示，由于過高的環(huán)路電源電壓，DAC161P997無法直接與典型的4~20mA環(huán)路實現(xiàn)接口。環(huán)路電源電壓必須逐步降低至3.3V.使用一個超低靜態(tài)電流線性調(diào)節(jié)器（例如LM2936）或者低功耗開關(guān)調(diào)節(jié)器（例如LM2840），便可以達到上述目標。設(shè)計人員應緊記，調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流會對最小可達環(huán)路電流產(chǎn)生直接影響。

　　由于溫度變送器由環(huán)路本身供電，各種器件的電流消耗應盡可能低，以符合系統(tǒng)的3.5mA功耗預算要求。DAC161P997的電流消耗低于190μA，輸出電流溫度系數(shù)為29ppm/℃，而長期的輸出電流漂移為90ppm滿量程。

　　本文小結(jié)

　　諸如LMP90xxx和DAC161P997集成解決方案可以降低傳感器和變送器組合的難度、減少器件數(shù)目并節(jié)省電路板空間。LMP90xxx可以和各種不同的傳感器接口，包括溫度、壓力和其他電壓輸出檢測器。這種器件由傳感器AFE設(shè)計工具提供支持，它讓廣大的工程師能夠?qū)ψ约旱慕鉀Q方案進行在線設(shè)計與評估。