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满足工业需求的4–20mA电流环变送器设计考量及性能分析

上网日期: 2013年08月20日 ?? 作者: Yuriy Kurtsevoy, Stuart Smith ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电流环? 电流环变送器? 智能传感器?

作者:Yuriy Kurtsevoy,战略应用工程师;Stuart Smith,产品定义者。Maxim Integrated

引言

4~20mA电流环广泛用作工业领域的模拟通信接口,可以方便地通过双绞线将远端传感器数据传送到控制中心的可编程逻辑控制器(PLC)。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。

工作原理及关键设计参数

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。

(电子工程专辑)
图1:4~20mA环路供电变送器参考设计,由MAX5216 16位DAC (U1)、MAX9620运算放大器(U2)、MAX6133电压基准(U3)和MAX15007 LDO (U4)组成。

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SPI总线向U1发送命令。U1输出经过分压并被Q1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。


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