CN0295 經(jīng)驗(yàn)證,采用圖中所示的元件值,該電路能夠穩(wěn)定地工
作,并具有良好的精度??稍谠撆渲弥惺褂?a target='_blank' class='arckwlink_none'>
ADI公司的其
他基準(zhǔn)電壓源、精密
運(yùn)算放大器和
儀表放大器以建立4 mA
至20 mA
模擬電流輸出,用于本電路的其他應(yīng)用中。
針對(duì)多輸入通道應(yīng)用,還可使用雙通道、低成本、寬
電源
范圍儀表
放大器AD8426
針對(duì)低電源電壓應(yīng)用,可使用
高精度、低功耗、低噪聲基
準(zhǔn)電壓源ADR4550代替ADR02。 設(shè)備要求
EVAL-CN0295-EB1Z評(píng)估板
Agilent 36311A精密直流電源
Yokogawa 2000精密直流電源
Agilent 3458A精密
萬用表
評(píng)估板電流輸出的線性誤差采用圖5中的設(shè)置進(jìn)行測(cè)量。
?
圖5. 測(cè)試設(shè)置框圖
?
測(cè)試
使用Agilent E3631A和Yokogawa精密電壓電源為評(píng)估板供
電,并
仿真傳感器輸出。Agilent E3631A的CH2設(shè)為25 V,
用作評(píng)估板電源;另一通道CH1設(shè)為2.5 V,用以產(chǎn)生共模
電壓。該通道與Yokogawa 2000串聯(lián)連接,如圖5所示。
Yokogawa在儀表放大器輸入端產(chǎn)生0至100 mV差分輸入電
壓,可仿真?zhèn)鞲衅鬏敵觥?Agilent 3458A用于測(cè)量評(píng)估板的實(shí)際電流輸出,與J1串聯(lián)
連接。 該設(shè)計(jì)提供完整的4 mA至20 mA發(fā)送器
壓力傳感器測(cè)量解決方案。有三個(gè)重要的電路級(jí):傳感器激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、傳感器輸出放大器和電壓-電流
轉(zhuǎn)換器。
電路所需總電流(不計(jì)電橋驅(qū)動(dòng)電流和輸出電流)為5.23 mA(最大值),如表1所示。
表1. 25°C時(shí)最大電路電流
?元件
?電流(mA)
ADR02
0.80
ADA4091-4
1.00
AD8226
0.43
R5, R6 at 6 V
0.60
R7, R8 at 5 V
0.40
R13 at 2 V
2.00
Total
5.23
激勵(lì):電壓驅(qū)動(dòng)配置
需使用電壓驅(qū)動(dòng)或電流驅(qū)動(dòng),具體取決于所選壓力傳感器。該電路使用四分之一的ADA4091-4 (U2A),并通過開關(guān)S1選擇不同配置,支持兩種選項(xiàng)之一。圖2顯示電壓驅(qū)動(dòng)配置,S1位置最靠近識(shí)別標(biāo)志(參見CN0295設(shè)計(jì)支持包中的完整電路布局和原理圖:http://www.
analog.com/CN0295-DesignSupport。電壓驅(qū)動(dòng)通常采用該級(jí)的增益(1 + R5/R6)配置為6 V電橋驅(qū)動(dòng)電壓。其他驅(qū)動(dòng)電壓可通過適當(dāng)改變
電阻比獲得:
請(qǐng)注意,電源電壓VCC應(yīng)至少比電橋驅(qū)動(dòng)電壓高0.2 V,以便U2A具有足夠的裕量。ADA4091-4:
該電路選擇運(yùn)算放大器ADA4091-4,因?yàn)樗哂械凸?每個(gè)放大器250 μA)、低失調(diào)電壓(250 μV)以及軌到軌輸入輸出特性。
因?yàn)锳DR02的精度(A級(jí):0.1%,B級(jí):0.06%)和低靜態(tài)電流(0.8 mA)特性,選用ADR02作為5 V基準(zhǔn)電壓源。
圖2. 傳感器電壓驅(qū)動(dòng)配置(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)
?
激勵(lì):電流驅(qū)動(dòng)配置
通過將S1移動(dòng)至離開識(shí)別標(biāo)志最遠(yuǎn)的位置,便可將電路切換至圖3所示的電流驅(qū)動(dòng)配置。
在電流驅(qū)動(dòng)模式中,電路配置為R4 = 2.5 kΩ且 IDRIVE= 2 mA。使用下式選擇R4值,可獲得較低或較高的IDRIVE值。
通過下式可計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓VDRIVE:
VCC電源需要0.2 V裕量,因此::
圖3. 傳感器電流驅(qū)動(dòng)配置(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)
?
電橋輸出儀表放大器和失調(diào)電路
電橋輸出采用帶寬為39.6 kHz的共模
濾波器(4.02 kΩ、1 nF)以及帶寬為1.98 kHz的差模濾波器(8.04 kΩ、10 nF)濾波。
AD8226是理想的儀表放大器選擇,因?yàn)樗哂械驮鲆嬲`差(0.1%,B級(jí))、低失調(diào)(G = 16時(shí)58 μV,B級(jí);G = 16時(shí)112 μV,A級(jí))、出色的增益非線性度(75 ppm = 0.0075%)以及軌到軌
輸入和輸出特性。
AD8226儀表放大器使用R3 = 3.28 kΩ的增益設(shè)置電阻,放大100 mV FS
信號(hào)16倍到1.6V。增益G和R3的關(guān)系如下:
其中,G = 16、R3 = 3.2933 kΩ。為R3選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)0.05%值(3.28 kΩ),得到增益G = 16.06,總增益誤差為+0.4%。
對(duì)于0 V電橋輸出而言,輸出環(huán)路電流應(yīng)當(dāng)為4 mA。只需將+0.4 V失調(diào)施加于AD8226儀表放大器的REF輸入即可獲得該數(shù)值,如圖1所示。+0.4 V來自ADR02 5 V基準(zhǔn)電壓源,使用分壓器電阻R7/R8并利用U2B緩沖電壓即可。
使用AD8226 5 V基準(zhǔn)電壓設(shè)置電橋的驅(qū)動(dòng)電壓或電流,以及設(shè)置4 mA零電平失調(diào)。其初始精度為0.06%(B級(jí)),并且具有10 μV p-p電壓噪聲。此外,它可以采用高達(dá)36 V的電源電壓工作,且功耗不足1 mA,是低功耗應(yīng)用的理想選擇。
電壓電流轉(zhuǎn)換
AD8226的0 V至100 mV輸入可在VOUT產(chǎn)生0.4 V至2.0 V的輸出擺幅。U2C緩沖器將此電壓施加于R13的兩端,產(chǎn)生相應(yīng)的0.4 mA至2.0 mA電流I13。
晶體管Q1隨后將I13電流鏡像到R12,所得電壓施加于R15,由此實(shí)現(xiàn)4 mA至20 mA的最終環(huán)路電流。晶體管Q1應(yīng)具有至少300的高增益,才能最大程度減少基極電流引起的線性誤差。
輸出晶體管Q2是一個(gè)40 V P溝道
MOSFET功率晶體管,25°C時(shí)功耗為0.75 W。在20 mA輸出電流輸入至0 Ω環(huán)路負(fù)載電阻且VCC電源為36 V時(shí),電路具有最差情況下的功耗。這些條件下的Q2功耗為0.68 W。然而,通過選擇合適的VCC,使其至少高出最大環(huán)路負(fù)載電壓3 V,就能大幅減少Q(mào)2功耗。這樣便可確保檢測(cè)電阻R15兩端的電壓降具有足夠的裕量。
電壓電源要求
若要使電路正常工作,電源電壓VCC必須大于7 V,以便為ADR02基準(zhǔn)電壓源提供充分的裕量。
最小VCC電源電壓同樣取決于電橋的
驅(qū)動(dòng)電路配置。在VDRIVE = 6 V的電壓驅(qū)動(dòng)模式下,電源電壓VCC必須大于6.2 V,這樣U2A才能保持足夠的裕量(見圖2)。
在電流驅(qū)動(dòng)模式下,電源電壓VCC必須大于11.2 V,這樣U2A才能保持足夠的裕量(見圖3)。
VCC電源電壓限值為36 V(最大值)。
有源元件的誤差分析
表2和表3分別表示系統(tǒng)中因有源元件造成的AD8226和ADR02 的A、B級(jí)最大誤差及
rss誤差。請(qǐng)注意,運(yùn)算放大器ADA4091-2僅在一種等級(jí)水平下可用。
表2. 有源器件造成的誤差(A級(jí))
?誤差元件
?誤差
?誤差值
?誤差(%FSR)
AD8226-A
ADR02-A
ADA4091-4?(U2B)
ADA4091-4?(U2C)
ADA4091-4?(U2D)
AD8226-A
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
增益
112 μV
0.10%
250 μV
250 μV
250 μV
0.15%
0.11%
0.02%
0.02%
0.02%
0.02%
0.15%
RSS失調(diào)
RSS增益
RSS FS誤差
0.12%
0.15%
0.27%
最大失調(diào)
最大增益
最大FS誤差
0.19%
0.15%
0.34%
表3. 有源器件造成的誤差(B級(jí))
?誤差元件
?誤差
?誤差值
?誤差(%FSR)
AD8226-B
ADR02-B
ADA4091-4?(U2B)
ADA4091-4?(U2C)
ADA4091-4?(U2D)
AD8226-B
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
失調(diào)
增益
58 μV
0.06%
250 μV
250 μV
250 μV
0.10%
0.06%
0.01%
0.02%
0.02%
0.02%
0.10%
RSS失調(diào)
RSS增益
RSS FS誤差
0.07%
0.10%
0.17%
最大失調(diào)
最大增益
最大FS誤差
0.13%
0.10%
0.23%
總電路精度
對(duì)電阻容差導(dǎo)致的總誤差的合理近似推算是假設(shè)每個(gè)關(guān)鍵電阻對(duì)總誤差貢獻(xiàn)都相等。6個(gè)關(guān)鍵電阻是R3、R7、R8、R12、R13和R15。0.1%電阻導(dǎo)致的最差情況下的容差可造成0.6%總電阻誤差最大值。若假定rss誤差,則總rss誤差為0.1√6 = 0.245%.。
將0.6%最差情況下的電阻容差誤差加入到前文中由于有源元件(A級(jí))造成的最差情況誤差中,可得:
失調(diào)誤差 = 0.19% + 0.6% = 0.79%
增益誤差 = 0.15% + 0.6% = 0.75%
滿量程誤差 = 0.34% + 0.6% = 0.94%
這些誤差假定選用電阻計(jì)算值,因此誤差僅來源于其容差。
雖然電路允許具有1%或更低的總誤差,若要求更佳的精度,則電路需具備失調(diào)和增益調(diào)節(jié)能力。針對(duì)4 mA輸出和零電平輸入,可通過調(diào)整R7或R8來校準(zhǔn)失調(diào),然后針對(duì)滿量程100 mV輸入,通過改變R3調(diào)節(jié)滿量程。這兩項(xiàng)調(diào)節(jié)是相互獨(dú)立的;假定首先進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)。
電路的實(shí)際誤差數(shù)據(jù)見圖4,其中VCC = 25 V。輸出電流總誤差(%FSR)通過將理想輸出電流與測(cè)量輸出電流的差除以FSR (16 mA),然后將計(jì)算結(jié)果乘以100即可算出。
圖4. 輸出電流(%FSR)的總誤差與電橋電壓的關(guān)系(VCC= 25 V)
? CN0295 CN0295 靈活的4 mA至20 mA壓力傳感器
變送器,集成電壓或電流驅(qū)動(dòng) 圖1所示電路是一款靈活的電流發(fā)送器,可將壓力傳感器
的差分電壓輸出轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA電流輸出。
該電路針對(duì)各種橋式電壓或電流驅(qū)動(dòng)型壓力傳感器而優(yōu)
化,僅使用了5個(gè)有源器件,總不可調(diào)整誤差低于1%。電
源范圍為7 V至36 V,具體取決于元件和傳感器
驅(qū)動(dòng)器配置。
該電路的輸入具有
ESD保護(hù)功能,并且可提供高于
供電軌
的電壓保護(hù),是工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。
圖1. 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路,具有4 mA至20 mA輸出(顯示為傳感器電壓驅(qū)動(dòng)模式),原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)
? CN0295 圖1所示電路是一款靈活的電流發(fā)送器,可將壓力傳感器
的差分電壓輸出轉(zhuǎn)換為4 mA至20 mA電流輸出。
該電路針對(duì)各種橋式電壓或電流驅(qū)動(dòng)型壓力傳感器而優(yōu)
化,僅使用了5個(gè)有源器件,總不可調(diào)整誤差低于1%。電
源范圍為7 V至36 V,具體取決于元件和傳感器驅(qū)動(dòng)器配置。
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te and reference circuit info 靈活的4 mA至20 mA壓力傳感器變送器,集成電壓或電流驅(qū)動(dòng) | Analog Devices
- 4-20mA 發(fā)送器
- 電壓或電流驅(qū)動(dòng)
- 優(yōu)化壓力傳感器
- 低功耗
(analog)
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