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)

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(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)調(diào)整R7或R8來(lái)校準(zhǔn)失調(diào)，然后針對(duì)滿量程100 mV輸入，通過(guò)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(guò)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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• 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

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