滿(mǎn)足工業(yè)需求的4–20mA電流環(huán)變送器設計考量及性能分析
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4~20mA電流環(huán)變送器的有效位數(ENOB)計算如下：
根據表1中的數據，ENOB等于15.56位。所以，總分辨率誤差小于0.5位允許自動(dòng)校準，也可節省昂貴的精密元件數量。
表1所選電阻覆蓋了3.2mA至24.6mA電流環(huán)動(dòng)態(tài)范圍。R1、R2、R3和RSENSE的不同組合可縮小動(dòng)態(tài)范圍，應密切注意每個(gè)電阻的溫度系數(TC)。
變送器溫度漂移誤差分析
無(wú)源元件和VREF的溫度漂移誤差分析如表2所示。
表2：4~20mA電流環(huán)路發(fā)送器的溫度誤差分析。
利用下式計算最小和最大電阻偏移：
式中，TC為溫度系數，單位為ppm/°C；ΔT為總溫度范圍145°C。
從表2可知，當R1、R2、R3和RSENSE的溫度系數取以下值時(shí)，得到的誤差為0.05%FS。
R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C
R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C
R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C
RSENSE = 10? ±0.1%，10ppm/°C
注意，總誤差為每個(gè)誤差源的平方和的平方根：元件容限、元件溫度系數、測量值等。
如果智能傳感器的耗流超過(guò)3.4mA，則不能用于環(huán)路供電的2線(xiàn)變送器。例如，當微控制器或ADC的耗流超過(guò)3mA，或者檢測元件需要較高供電電流來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。此時(shí)，額外的電流必須通過(guò)附加的第三根線(xiàn)?？筛倪M(jìn)這種配置(稱(chēng)為3線(xiàn)發(fā)送器)，如圖2所示，該設計使其成為通用的2線(xiàn)或3線(xiàn)智能傳感器變送器。
圖2：通用2線(xiàn)或3線(xiàn)智能變送器框圖。
圖2中的U5運算放大器和Q3緩沖器監測虛地，持續維持智能變送器的公共端，使其保持在U4輸出的恒定電壓。U5運算放大器必須能夠支持12V最大供電電壓，PLC RLOAD/檢測電阻值高達250Ω。C8和R8負反饋網(wǎng)絡(luò )穩定環(huán)路電流，以及確保正常預期條件下的穩定性。
選擇功率晶體管和保護元件
功率晶體管Q1無(wú)特殊要求，可以是MOSFET或雙極型功率晶體管，滿(mǎn)足最大安全、工作區要求即可。例如，如果環(huán)路電源為36V，最大限流為35mA，那么最大功耗要求為1.26W。要謹慎處理PCB的布局、走線(xiàn)寬度及散熱能力。
肖特基二極管(D1)(見(jiàn)圖1)為安全器件，防止反向電流損壞變送器。此外，可在LOOP+和LOOP-輸入之間增加一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(D2，方框圖中未顯示)，防止過(guò)壓浪涌。D1和D2的要求取決于具體應用的安全規格。
設計方案測試
設計4~20mA環(huán)路供電變送器評估板(EV)MAX5216LPT，采用1000ft 22線(xiàn)規屏蔽通信電纜和249Ω±0.1%電阻進(jìn)行特征分析。利用Agilent HP3458A DVM測量負載電阻壓降，測得環(huán)路電流。MAX5216 DAC的特征數據繪制于圖3至圖8。
圖3：25°C下變送器誤差，MAX5216 DAC數據。
圖4：變送器誤差變化與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，環(huán)路電源12V。
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