傳感器變送器簡(jiǎn)化工業(yè)設(shè)計(jì)

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(xué)工業(yè)中，溫度變送器用于確保化學(xué)反應(yīng)器中的溶液保持在某個(gè)恒定溫度。

傳感器變送器的基本功能有3個(gè)：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(cè)得數(shù)量的電流。開發(fā)傳感器變送器應(yīng)用的工程師都面臨一個(gè)問題：設(shè)計(jì)時(shí)間曠日持久。設(shè)計(jì)期間，工程師必須為每種傳感器進(jìn)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(shí)

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(zhǎng)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(hào)的采集和調(diào)節(jié)。信息被傳送至微控制器進(jìn)行信號(hào)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(dá)到最高精度的同時(shí)使功耗盡可能降低至關(guān)重要。

溫度傳感應(yīng)用

各種傳感器被用于監(jiān)測(cè)溫度，例如電阻溫度檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)是Pt100(100O)、Pt500(500O)和Pt1000(1000O)，RTD常用于-200~800℃之間的應(yīng)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(diǎn)處產(chǎn)生電壓。該結(jié)電壓與被稱為冷接點(diǎn)的參考電壓進(jìn)行比較。所有熱電偶都要求冷接點(diǎn)參考電壓維持在某個(gè)已知的溫度下。冷接點(diǎn)傳感器對(duì)冷接點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用一個(gè)模擬溫度傳感器(如LM94022)便可以完成這項(xiàng)任務(wù)。利用熱電偶電壓和冷接點(diǎn)電壓之差便可計(jì)算出熱電偶接點(diǎn)的溫度。熱電偶可以應(yīng)用到RTD類似的應(yīng)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(hào)通路。它具有一個(gè)靈活的輸入多路復(fù)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(shí)現(xiàn)接口。傳感器AFE擁有兩個(gè)可編程的匹配電流源，能夠以100μA步長(zhǎng)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(jìn)制因子調(diào)節(jié)，并且設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)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(jì)人員使用相同的布局，通過選擇不同的特性來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的增益和偏移誤差進(jìn)行補(bǔ)償，在實(shí)際上消除了隨時(shí)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(chǎng)校正相關(guān)的停機(jī)時(shí)間。

傳感器診斷也在背景下完成，并且不會(huì)影響信號(hào)通路性能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器短路、開路和溢出信號(hào)的檢測(cè)。LMP90080還擁有一個(gè)強(qiáng)健的具有循環(huán)冗余檢驗(yàn)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(jì)工具提供支持，其可對(duì)傳感器模擬信號(hào)通路解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、性能評(píng)估以及優(yōu)化。它允許導(dǎo)出AFE配置，用于微控制器代碼。另外，評(píng)估系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)人員連接傳感器、修改設(shè)計(jì)、為傳感器AFE IC加載配置數(shù)據(jù)以及對(duì)完整解決方案進(jìn)行評(píng)估。

4~20mA電流環(huán)路是一個(gè)用于遠(yuǎn)距離模擬測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，兩線傳感器使用電流來表示測(cè)量值。電路環(huán)路傳輸常用于工業(yè)中，因?yàn)樗鼡碛袕?qiáng)健的抗干擾能力，并且非常適合于遠(yuǎn)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(jiǎn)化了電流環(huán)路設(shè)計(jì)。只需要少數(shù)幾個(gè)外部器件，便可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度的工業(yè)用4~20mA變送器。

圖3:DAC161P997簡(jiǎn)化電流環(huán)路設(shè)計(jì)。

DAC161P997具有一個(gè)單線接口，它是一種強(qiáng)健的數(shù)字?jǐn)?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(shí)現(xiàn)電流隔離。數(shù)字?jǐn)?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(shí)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(shí)現(xiàn)接口。環(huán)路電源電壓必須逐步降低至3.3V.使用一個(gè)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(dá)到上述目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)緊記，調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流會(huì)對(duì)最小可達(dá)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(yīng)盡可能低，以符合系統(tǒng)的3.5mA功耗預(yù)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(zhǎng)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(cè)器。這種器件由傳感器AFE設(shè)計(jì)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(jìn)行在線設(shè)計(jì)與評(píng)估。