CN0289 集成電壓或電流驅(qū)動(dòng)的靈活4 mA至20 mA環(huán)路供電壓力傳感器變送器

CN0289 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?？稍谶@些配置中使用其他基準(zhǔn)電 壓、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。 ADA4091-4是四通道版本器件，可用于代替雙通道ADA4091-2，提供額外的精密運(yùn)算放大器。 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-CN0289-EB1Z評(píng)估板 Agilent E36311A雙直流電源(或等效設(shè)備) Agilent 3458A萬用表(或等效設(shè)備) 電流輸出測(cè)量 評(píng)估板的電流輸出采用圖5中的設(shè)置進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試條件為： 環(huán)路電源：24 V 環(huán)路負(fù)載：250 Ω RBRIDGE = 3 kΩ VDRIVE = 5 V VCM = 2.5 V 橋式電阻同時(shí)連接儀表放大器的兩個(gè)輸入端，仿真傳感器輸出。 測(cè)試設(shè)置的配置與測(cè)試 使用圖5中的測(cè)試設(shè)置對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。 使用Agilent E36311A雙電源產(chǎn)生2.5 V共模電壓和0 mV至100 mV差分輸入電壓。 Agilent 3458A用于測(cè)量評(píng)估板的實(shí)際環(huán)路電流輸出。 ? 圖5. 測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 該設(shè)計(jì)提供完整的4 mA至20 mA變送器壓力傳感器檢測(cè)解決方案，整個(gè)電路由環(huán)路供電。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。 電路所需總電流為1.82 mA(最大值)，如表1所示。因此，可在不超過4 mA最大可用環(huán)路電流的情況下使用電橋驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)2 mA的壓力傳感器。 表1. 25°C時(shí)最大電路電流 元件 電流(mA) ADR02 0.80 ADA4091-2 0.50 AD8226 0.43 R5, R6 @ 10V 0.05 R12 @ 5V 0.04 TOTAL 1.82 傳感器激勵(lì)驅(qū)動(dòng) 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。該電路使用一半的ADA4091-2(U2A)，并通過開關(guān)S1選擇不同配置，支持兩種選項(xiàng)之一。開關(guān)S1提供其中一種驅(qū)動(dòng)選擇。 激勵(lì)：電壓驅(qū)動(dòng)配置 圖2顯示S1的電壓驅(qū)動(dòng)配置，S1位于PCB上標(biāo)有VOLTAGEDRIVE處(完整電路布局和原理圖參見CN0289設(shè)計(jì)支持包：http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport) 圖2. 傳感器電壓驅(qū)動(dòng)配置 RBRIDGE=5kΩ、VDRIVE = 10V ? 電壓驅(qū)動(dòng)電路通常配置為10 V電橋驅(qū)動(dòng)電壓。在該模式下，允許的最小電橋電阻為： 對(duì)于低于5 kΩ的電橋電阻而言，可通過移除R6并使用緩沖器配置，將驅(qū)動(dòng)電壓降低至5 V。 通過下式選擇合適的R6，便可獲得驅(qū)動(dòng)電壓的其他值： 其中： 請(qǐng)注意，環(huán)路電壓VLOOP應(yīng)至少比電橋驅(qū)動(dòng)電壓高0.2 V，以便讓U2A具有足夠的裕量。 激勵(lì)：電流驅(qū)動(dòng)配置 通過將S1移動(dòng)至PCB上標(biāo)有CURRENT DRIVE的位置，便可將電路切換至圖3所示的電流驅(qū)動(dòng)配置。 圖3. 傳感器電流驅(qū)動(dòng)配置(RBRIDGE = 3 kΩ) ? 在電流驅(qū)動(dòng)模式中，必須保留最大允許的2 mA電橋驅(qū)動(dòng)電流。電路配置為R4 = 2.49 kΩ且IDRIVE = 2 mA。使用下式選擇R4值，可獲得較低的 IDRIVE值： 通過下式可計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓VDRIVE: U2A電源需要0.2 V裕量，因此： 在圖3中，RBRIDGE = 3 kΩ、IDRIVE = 2 mA、 VDRIVE = 11 V、VLOOP ≥ 11.2 V。 該電路選擇運(yùn)算放大器ADA4091-2，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。 電橋輸出儀表放大器以及增益和失調(diào)電阻選擇 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2 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 = 50時(shí)58μV，B級(jí)；G = 50時(shí)112μV，A級(jí))、出色的增益非線性度(75 ppm = 0.0075%)以及軌到軌輸出特性。 AD8226儀表放大器以系數(shù)50 V至5 V放大100 mV FS信號(hào)，增益設(shè)置電阻R3 = 1.008 kΩ。增益G和R3的關(guān)系如下： 其中G = 50，R3 = 1008 Ω。 輸出零值環(huán)路電流ILO = 4 mA: 由于R10與R8之比為100:1 合并最后兩式可得： ILO= 4 mA時(shí)，AD8226輸出為0 V；失調(diào)電阻R12可計(jì)算如下： 若VOUT= 5.00 V，則輸出環(huán)路電流ILH = 20 mA, 因此： 流經(jīng)R12的電流為： 流經(jīng)R9的電流為： R9值可通過下式計(jì)算： 實(shí)際使用時(shí)，R3、R12和R9的計(jì)算值將不作為標(biāo)準(zhǔn)值提供，因此電路所用的實(shí)際值將產(chǎn)生固定誤差。這些誤差可通過下式計(jì)算。電阻R3、R9和R12產(chǎn)生的增益、失調(diào)和總誤差測(cè)量值，以%FSR表示(其中，F(xiàn)SR = 16 mA)： 零電平輸出(4 mA)時(shí)的總誤差不受增益誤差影響。 而滿量程輸出(20 mA)時(shí)的總誤差可計(jì)算如下： 滿量程誤差 = 增益誤差 + 失調(diào)誤差 實(shí)際電路中，必須選擇最接近EIA標(biāo)準(zhǔn)的0.1%電阻，因此可得前文所述的固定增益和失調(diào)誤差?？墒褂脙蓚€(gè)0.1%電阻組合，以便更接近計(jì)算值。例如，下列0.1%電阻的串聯(lián)組合非常接近計(jì)算值： R3 = 1 kΩ + 8.06 Ω = 1008.06 Ω (計(jì)算值 = 1008 Ω) R9 = 30.9 kΩ + 655 Ω = 31.555k Ω (計(jì)算值 = 31.56 kΩ) R12 = 124 kΩ + 2.26 kΩ = 126.26 Ω (計(jì)算值 = 126.25 Ω) 這些組合的誤差計(jì)算如下： 失調(diào)誤差 = ?0.008% FSR 增益誤差 = +0.010% FSR 滿量程誤差 = 然而在某些情況下，電阻供應(yīng)商甚至連標(biāo)準(zhǔn)0.1%電阻值都無法提供，因此需進(jìn)行替換。 例如，EVAL-CN0289-EB1Z 評(píng)估板提供的電阻值如下： R3 = 1000 Ω(計(jì)算值 = 1008 Ω) R9 = 31.6 kΩ(計(jì)算值 = 31.56 kΩ) R12 = 124 kΩ(計(jì)算值 = 126.25 kΩ) 根據(jù)評(píng)估板提供的數(shù)值，電阻值引起的誤差可計(jì)算如下： 失調(diào)誤差 = +0.45% FSR 增益誤差 = +0.66% FSR 滿量程誤差 = +1.11% FSR 基準(zhǔn)電壓 使用ADR02 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0.1%(A級(jí))、0.06%(B級(jí))，并且具有10 μV p-p電壓噪聲。此外，它將采用高達(dá)36 V的電源電壓工作，且僅消耗1 mA(最大值)，是環(huán)路供 電應(yīng)用的理想選擇。 基準(zhǔn)電壓 通過強(qiáng)制數(shù)值大小為信號(hào)分量(I9) 和失調(diào)分量(I12). 之和的電流流過R10，即可產(chǎn)生4 mA至20 mA輸出電流。電流I10 = I9 + I12)在R10兩端產(chǎn)生電壓，該電壓通過U2B和Q1施加于感測(cè)電阻R10。流經(jīng)R8的電流是流經(jīng)R10電流的100倍。因此，環(huán)路電流ILOOP可由下式算得： 選擇的R8 (10 Ω)和R10 (1 kΩ)數(shù)值要能夠輕松得到0.1%容差。 為了讓電路正常工作，電路電流I ICIRCUIT?受U2B輸出控制的雙極性NPN晶體管產(chǎn)生環(huán)路電流，并且增益應(yīng)當(dāng)至少為300，以便最大程度減少線性誤差。其擊穿電壓應(yīng)至少為50 V。 輸出晶體管Q1是一個(gè)50 V NPN功率晶體管，25°C時(shí)功耗為1.1 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Q1功耗為0.68 W。 驅(qū)動(dòng)電路板的電源電壓VLOOP取決于環(huán)路電源VLOOP_SUPPLY環(huán)路負(fù)載R7和環(huán)路電流 ILOOP. 這些數(shù)值的關(guān)系如下： 若要使電路正常工作，電源電壓VLOOP必須大于7 V，以便為ADR02基準(zhǔn)電壓源提供充分的裕量。 因此， 對(duì)于20 mA最大環(huán)路電流以及R7 = 250 Ω 最小環(huán)路電源電壓同樣取決于電橋的驅(qū)動(dòng)電路配置。在VDRIVE= 10 V的電壓驅(qū)動(dòng)模式下，電源電壓VLOOP必須大于 10.2 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VLOOP必須大于11.2 V，這樣U2A才能保持足夠的裕量(見圖3)。 環(huán)路電源電壓限值為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 ADA4091-2 AD8226-A Offset Offset Offset Gain 112μV 0.10% 250μV 0.15% 0.11% 0.02% 0.16% 0.15% RSS Offset RSS Gain RSS FS Error ? ? 0.20% 0.15% 0.35% Max Offset Max Gain Max FS Error ? ? 0.29% 0.15% 0.44% 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 ADA4091-2 AD8226-B Offset Offset Offset Gain 58μV 0.06% 250μV 0.10% 0.06% 0.01% 0.16% 0.10% RSS Gain RSS Offset? RSS FS Error ? ? 0.10% 0.17% 0.27% Max Offset Max Gain Max FS Error ? ? 0.23% 0.10% 0.33% 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。5個(gè)關(guān)鍵電阻是R3、R8、R9、R10和R12。0.1%電阻導(dǎo)致的最差情況下的容差可造成0.5%總電阻誤差最大值。若假定rss誤差，則總rss誤差為0.1√5 = 0.224%。 由于有源器件(A級(jí))造成的誤差，需要在之前的最差情況誤差之上增加0.5%的最差情況電阻容差誤差： 失調(diào)誤差 = 0.29% +0.5% = 0.79% 增益誤差 = 0.15% + 0.5% = 0.65% 滿量程誤差 = 0.44% + 0.5% = 0.94% 這些誤差假定選用理想電阻，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R12來校準(zhǔn)失調(diào)，然后針對(duì)滿量程100 mV輸入，通過改變R9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?？傒敵稣`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。 請(qǐng)注意，0 mV與1 mV輸入之間的誤差由AD8226輸出級(jí)飽和電壓導(dǎo)致，且電路在負(fù)載條件下的誤差范圍為20 mV至100 mV。所有軌到軌輸出級(jí)均受限于其通過飽和電壓(雙極性輸出)或?qū)娮?CMOS輸出)達(dá)到供電軌的能力。 若輸出飽和電壓引起的誤差導(dǎo)致某些問題的產(chǎn)生，則來自電橋的輸入信號(hào)可通過在+5 V基準(zhǔn)電壓與電橋輸出的其中一側(cè)之間連接一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瓒M(jìn)行偏置。 圖4. 輸出電流(%FSR)的總誤差與電橋輸出的關(guān)系(3 kΩ電橋，24 V環(huán)路電源) ? CN0289 集成電壓或電流驅(qū)動(dòng)的靈活4 mA至20 mA環(huán)路供電壓力傳感器變送器 CN0289 | circuit note and reference circuit info 集成電壓或電流驅(qū)動(dòng)的靈活4 mA至20 mA環(huán)路供電壓力傳感器變送器 | Analog Devices 圖1所示電路是一款魯棒且靈活的環(huán)路供電電流變送器， 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。 該設(shè)計(jì)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4個(gè)有源器件，總不可調(diào)整誤差低于1%。環(huán) 路電源電壓范圍為12 V至36 V。 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。 図1．4 mA～20 mA出力の堅(jiān)牢なループ駆動(dòng)圧力センサーの信號(hào)調(diào)整回路 (センサー電圧駆動(dòng)モード) 簡略回路図：接続とデカップリングがすべて示されているわけではありません ? CN0289 圖1所示電路是一款魯棒且靈活的環(huán)路供電電流變送器， 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。

該設(shè)計(jì)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4個(gè)有源器件，總不可調(diào)整誤差低于1%。環(huán) 路電源電壓范圍為12 V至36 V。

• 4-20mA環(huán)路供電發(fā)射器
• 電壓或電流驅(qū)動(dòng)
• 優(yōu)化壓力傳感器

(analog)