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1.945MΩ电阻成本较高

作者:admin 发布时间:2019-03-11 20:38

  )。这种接口简单、可实现数据的长距离可靠传输,具有良好的抗噪性,实施成本较低,非常适合长期的工业过程控制以及远端自动监测。

  毫无疑问,工业发展和当今所有的电子应用一样,需求强劲,要求精度更高、功耗更低,并在-40°C至+105°C扩展工业级温度范围内可靠工作,具备更高的安全性和系统保护,还要求支持高速可寻址远端传感器(HART)协议。总而言之,这些要求使得当今的4~20mA电流环设计颇具挑战性。

  本文介绍了如何开发4~20mA电流环变送器并进行性能分析,以及如何选择满足严苛工业要求的元器件。提供误差分析测试数据、热特征数据、原理图以及分析软件。

  我们首先从参考设计入手,图1所示为高性能、低功耗、4~20mA电流环变送器的方框图,该设计大幅减少了元件数量,具有最高性价比。

  该参考设计采用低功耗、高性能元件,25°C时精度优于0.01%;整个温度范围内,精度优于0.05%,支持工业上最严格的4~20mA电流环要求。该设计采用低功耗16位DAC(U1);零失调、满摆幅输入输出(RRIO)、高性能运算放大器(U2);电压基准(U3);以及40V低静态电流LDO(U4)。

  U3电压基准为U1提供低噪声、5ppm/°C (最大值)低温漂和高的2.500V电压。智能传感器微控制器通过3线功率MOSFET、10? (±0.1%)检流电阻RSENSE)以及U2转换为环路电流。U1、U2和U3器件由U4供电,后者由环路直接供电。限流电路由双极型晶体管Q2和检测电阻(R6)构成,这样可将环路电流限制在大约30mA,防止失控条件以及损坏PLC侧的ADC。肖特基二极管(D1)保护变送器不受反向电流损害。

  参考设计工作于低功耗,所选元件的最大耗流在+25°C时小于200?A;在-40°C至+105°C温度范围内小于300uA。U2运算放大器在时间和整个温度范围的输入失调电压为25uV(最大值),理想用于高精度、高可靠性系统。10Ω检流电阻允许使用较低的环路供电电压;小电阻耗散功率较低,允许使用小封装,从而进一步减小变送器尺寸。例如,如果只有10? RSENSE和10Ω负载,其上最大压降在30mA时为600mV。U4 LDO在提供3.3V输出时只需连接4V电源电压即可正常工作,最小环路电压可低至5V。但是,如果PLC负载为250Ω,那么最小环路电源电压必须为4V + 30mA × (10 + 250)Ω = 11.8V。

  测试期间,输出在10Ω时呈现出一定的噪声。增大RSENSE电阻值将增大功耗和最小环路供电电压,但也降低了环路噪声。这种综合平衡可由用户控制。

  U2运算放大器跟踪R2和RSENSE上的压降,在其两个输入节点维持0V。该电路满足以下关系式:

  式2中,我们假设U2的IN+和IN-输入电流为0。按照式1和式2,4mA初始环路电流由I(R3)电流设置,而I(R1)为0。所以:

  根据有关通过4~20mA电流环路发送故障信息的Namur NE43建议,测量信息的信号范围为3.8mA至20.5mA,允许过程读数发生略微的线性超量程。有些情况下,当定义了附加故障条件时,甚至会需要更大的动态范围,比如3.2mA至24mA。因此,选择R2=24.9k,IOUT_INIT=3.2mA,从式4求解R3,得到:

  1.945MΩ电阻成本较高,更重要的是,不太适合自动化生产,也不利于现场校准。因此,更好的方法是采用标准的1%容限电阻,通过校准确保U1 DAC的4mA失调电流和20mA满幅电流精度。这种情况下,需要校准部分数字编码,以确保要求的精度。所以,I(R1)=VDAC/R1,其中VDAC为U1 DAC输出电压。上式重写为:

  EF的误差分析,数据基于式8。建议设计者利用数据表进行结果分析,找到4mA、20mA及24mA IOUT的对应编码。表1:4~20mA电流环变送器误差分析。

  1中的数据,ENOB等于15.56位。所以,总分辨率误差小于0.5位允许自动校准,也可节省昂贵的精密元件数量。

  表1所选电阻覆盖了3.2mA至24.6mA电流环动态范围。R1、R2、R3和RSENSE的不同组合可缩小动态范围,应密切注意每个电阻的温度系数(TC)。

  从表2可知,当R1、R2、R3和RSENSE的温度系数取以下值时,得到的误差为0.05%FS。

  注意,总误差为每个误差源的平方和的平方根:元件容限、元件温度系数、测量值等。

  如果智能传感器的耗流超过3.4mA,则不能用于环路供电的2线变送器。例如,当微控制器或ADC的耗流超过3mA,或者检测元件需要较高供电电流来提高动态范围和/或分辨率时,北京赛车投注就会发生这种情况。此时,额外的电流必须通过附加的第三根线。可改进这种配置(称为3线所示,该设计使其成为通用的2线线智能传感器变送器。

  功率晶体管Q1无特殊要求,可以是MOSFET或双极型功率晶体管,满足最大安全、工作区要求即可。例如,如果环路电源为36V,最大限流为35mA,那么最大功耗要求为1.26W。要谨慎处理

  的布局、走线宽度及散热能力。肖特基二极管(D1)(见图1)为安全器件,防止反向电流损坏变送器。此外,可在LOOP+和LOOP-输入之间增加一个瞬态电压抑制器(D2,方框图中未显示),防止过压浪涌。D1和D2的要求取决于具体应用的安全规格。

  图4:变送器误差变化与温度的关系曲线:变送器误差变化与温度的关系曲线:变送器误差变化与温度关系曲线:电流门限与环路电压的关系曲线:电流门限与温度关系曲线Ω。

  该变送器参考设计也支持HART协议,可以方便地连接HART调制解调器,例如DS8500(见图11)。图9和10所示为负载电阻等于249Ω时1000ft 4~20mA电流环上的HART信号。

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