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传感器变送器简化工业设计
作者:德州仪器精密系统部 Carine Alberti
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传感器变送器常用于在过程工业中帮助控制温度、压力和流量等参数。例如,我们可以在食品饮料、制药和环境控制过程中看到温度变送器(TT)。在化学工业中,温度变送器用于确保化学反应器中的溶液保持在某个恒定温度。

传感器变送器的基本功能有3个:收集传感器数据;隔离传感器与中央控制器;沿4~20mA环路发送代表测得数量的电流。开发传感器变送器应用的工程师都面临一个问题:设计时间旷日持久。设计期间,工程师必须为每种传感器进行专门配置并开发一些特殊的功能。

温度变送器的基础知识

图1显示了一款典型的温度变送器方块图。它读取温度敏感元件(例如热电偶等)采集的数据,然后通过一条较长的线缆将这一信息发送出去。

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图1:典型的温度变送器方块图

我们可以将各种温度传感器连接至变送器的模拟前端(AFE),该模拟前端用于处理传感器信号的采集和调节。信息被传送至微控制器进行信号处理,最后再以电流的形式通过隔离层向环路发送。温度变送器由该环路自身供电,因此,在达到最高精度的同时使功耗尽可能降低至关重要。

温度传感应用

各种传感器被用于监测温度,例如电阻温度检测器(RTD)和热电偶。

RTD的电阻随温度而变化,这些传感器所使用的最常见的材料是铂。RTD有一系列阻抗的产品可供选择,三种常见工业标准是Pt100(100O)、Pt500(500O)和Pt1000(1000O),RTD常用于-200~800℃之间的应用中。

热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。与温度相关的金属结点处产生电压。该结电压与被称为冷接点的参考电压进行比较。所有热电偶都要求冷接点参考电压维持在某个已知的温度下。冷接点传感器对冷接点温度进行监测,利用一个模拟温度传感器(如LM94022)便可以完成这项任务。利用热电偶电压和冷接点电压之差便可计算出热电偶接点的温度。热电偶可以应用到RTD类似的应用中,但精度不同。然而,其却更加牢靠,并且能够处理-270~2300℃的温度范围。

在图2中,LMP90080在传感器和微控制器之间提供了完整的信号通路。它具有一个灵活的输入多路复用器,能够让任何输入引脚连接到任何A/D转换器输入,从而使其能够与众多的传感器(包括热电偶、2、3、4线RTD以及热敏电阻器)实现接口。传感器AFE拥有两个可编程的匹配电流源,能够以100μA步长调节至1mA最大值。这样便可支持电阻传感器,例如RTD等。增益可以以1~128的二进制因子调节,并且设计人员能够以单周期设置选择输出数据速率(介于1.6775和214.65样本/s之间的8个值),从而使其能够连接到各种传感器。

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图2:LMP90080在传感器和微控制器之间提供了完整的信号通路

LMP90080是引脚到引脚兼容产品系列的一员。它允许设计人员使用相同的布局,通过选择不同的特性来对设计进行优化,例如分辨率、差分通道和集成电流源等。其他特性包括连续的背景校正和诊断。

连续背景校正对A/D转换器的增益和偏移误差进行补偿,在实际上消除了随时间和温度变化产生的漂移。校正在不出现任何转换中断的情况下在背景下完成。这样便提高了终端产品在寿命期间的性能,并帮助缩短了与现场校正相关的停机时间。

传感器诊断也在背景下完成,并且不会影响信号通路性能,从而能够实现对传感器短路、开路和溢出信号的检测。LMP90080还拥有一个强健的具有循环冗余检验的串行外设接口(SPI),以确保数据传输的完整性。

这些产品均由Webench传感器AFE设计工具提供支持,其可对传感器模拟信号通路解决方案进行设计、性能评估以及优化。它允许导出AFE配置,用于微控制器代码。另外,评估系统允许设计人员连接传感器、修改设计、为传感器AFE IC加载配置数据以及对完整解决方案进行评估。

4~20mA电流环路是一个用于远距离模拟测量数据传输的工业标准,其中,两线传感器使用电流来表示测量值。电路环路传输常用于工业中,因为它拥有强健的抗干扰能力,并且非常适合于远距离传输。另外,它的成本较低,并可以用于存在爆炸隐患的区域。

DAC161P997(见图3)通过将所有精密元件都集成到一块芯片上,简化了电流环路设计。只需要少数几个外部器件,便可以实现低功耗、高精度的工业用4~20mA变送器。

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图3:DAC161P997简化电流环路设计

DAC161P997具有一个单线接口,它是一种强健的数字数据传输解决方案——相比SPI接口的解决方案,它可以轻松地实现电流隔离。数字数据格式支持在不丢失数据(可能影响脉宽调制方案的问题)的情况下实现数据传输。

器件OUT引脚提供的输出电流可表示为:

I loop =(DACCODE/2 ^16)/24mA

有效的DACCODE范围为满16位代码间隔(0x0000~0xFFFF)。

如图3所示,由于过高的环路电源电压,DAC161P997无法直接与典型的4~20mA环路实现接口。环路电源电压必须逐步降低至3.3V。使用一个超低静态电流线性调节器(例如LM2936)或者低功耗开关调节器(例如LM2840),便可以达到上述目标。设计人员应紧记,调节器的静态电流会对最小可达环路电流产生直接影响。

由于温度变送器由环路本身供电,各种器件的电流消耗应尽可能低,以符合系统的3.5mA功耗预算要求。DAC161P997的电流消耗低于190μA,输出电流温度系数为29ppm/℃,而长期的输出电流漂移为90ppm满量程。

本文小结

诸如LMP90xxx和DAC161P997集成解决方案可以降低传感器和变送器组合的难度、减少器件数目并节省电路板空间。LMP90xxx可以和各种不同的传感器接口,包括温度、压力和其他电压输出检测器。这种器件由传感器AFE设计工具提供支持,它让广大的工程师能够对自己的解决方案进行在线设计与评估。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (8/6/2012)
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