【導(dǎo)讀】集成電路和芯片現(xiàn)在正占據(jù)著整個行業(yè)的主導(dǎo)地位，可能會將組件填充到單個芯片中。隨著電子設(shè)備的尺寸變小，系統(tǒng)中會散發(fā)更多的熱量，因此會消耗更多的功率。當(dāng)今流行的工業(yè)控制應(yīng)用，例如可編程邏輯控制器，工廠過程控制，計算機(jī)數(shù)字控制（CNC）和智能變送器，都需要低功率半導(dǎo)體。
集成電路和芯片現(xiàn)在正占據(jù)著整個行業(yè)的主導(dǎo)地位，可能會將組件填充到單個芯片中。隨著電子設(shè)備的尺寸變小，系統(tǒng)中會散發(fā)更多的熱量，因此會消耗更多的功率。當(dāng)今流行的工業(yè)控制應(yīng)用，例如可編程邏輯控制器，工廠過程控制，計算機(jī)數(shù)字控制（CNC）和智能變送器，都需要低功率半導(dǎo)體。關(guān)于這一點，開發(fā)了許多設(shè)計架構(gòu)來應(yīng)對這種趨勢，同時保持低功耗的使用。這將包括具有3V / 5V操作的接近理想規(guī)格的最新A / D和D / A轉(zhuǎn)換器。
本教程全部關(guān)于在系統(tǒng)中采用高分辨率低功耗D / A轉(zhuǎn)換器的智能變送器。本文的一部分還特別引用了具有4-20 mA電流環(huán)路的傳感器。
4-20mA傳感器的基本要求為了在嘈雜的工業(yè)控制環(huán)境中傳輸數(shù)百碼的低頻低頻率信號，相對于電壓，電流是首選的，因為在任何時候，電流在電纜的整個長度上都是恒定的。不建議使用電壓傳輸，因為任何點的電壓都取決于線電阻和電容，它們隨電纜的長度而變化。電流傳輸還允許單根2線電纜同時傳輸功率和信號。
在傳輸線的末端，一個精確的終端電阻將環(huán)路電流轉(zhuǎn)換為一個精確的電壓。該電阻（通常為50Ω至750Ω）建立電流環(huán)路接收器的輸入阻抗。高信號源阻抗可最大程度地減小由線路電阻變化引起的終端電阻兩端的電壓波動，但同時也會吸收更多的EMI和其他工業(yè)干擾。大容量旁路電容器通過幫助降低信號源阻抗來減少EMI拾取。總而言之，電流環(huán)路具有四個主要優(yōu)點：
遠(yuǎn)距離傳輸，無幅度損失
檢測離線傳感器，傳輸線損壞和其他故障
廉價的2線電纜
更低的EMI靈敏度
數(shù)控4-20mA電流環(huán)路
智能變送器集成了使傳感器數(shù)據(jù)線性化并將其傳送到主機(jī)系統(tǒng)的處理器或控制器。如圖1所示，這些系統(tǒng)采用五個通用構(gòu)件：一個A / D轉(zhuǎn)換器，一個微控制器（µC），一些RAM，一個帶可選集成放大器的D / A轉(zhuǎn)換器以及一個傳感器或傳感器（熱電偶，應(yīng)變片）。規(guī)格，PT100RTD¹等）。
單通道發(fā)送器中的ADC通常包括補(bǔ)償電路，而多通道系統(tǒng)中的ADC通常包括一個或多個運算放大器和多路復(fù)用器。先進(jìn)的ADC / DAC組合可以補(bǔ)償傳感器的失調(diào)，失調(diào)溫度系數(shù)，全跨度輸出，全跨度輸出溫度系數(shù)和非線性。Maxim針對這些應(yīng)用設(shè)計了新的0.1％精度智能信號調(diào)理器系列。
該四人系列產(chǎn)品中的第一批產(chǎn)品（MAX1450和MAX1457）現(xiàn)已上市。未來的成員包括MAX1458，這是一種信號調(diào)節(jié)器，可用于內(nèi)部校準(zhǔn)和壓阻傳感器的溫度補(bǔ)償（通過使用板載EEPROM的電子調(diào)整）。針對同一目的而優(yōu)化的另一種未來產(chǎn)品（MAX1460）是高度集成的，基于信號處理器的數(shù)字補(bǔ)償信號調(diào)理器。
如果傳感器必須放置在爆炸性環(huán)境中，則安全措施不僅需要防止接地回路的隔離屏障，而且還需要“本質(zhì)上安全”的操作；這是將發(fā)射機(jī)能量限制在低于能夠產(chǎn)生放電的能量水平的規(guī)則。這種系統(tǒng)的隔離屏障通常位于電源側(cè)。對于本質(zhì)上不是安全的智能變送器系統(tǒng)，可以在微控制器（µC）與已調(diào)節(jié)和數(shù)字化的傳感器數(shù)據(jù)之間放置隔離柵?？梢酝ㄟ^6N136、4N26或IL300等通用光耦合器跨此障礙傳輸數(shù)據(jù)。
傳感器電壓必須通過A / D轉(zhuǎn)換器（最好是具有高分辨率的A / D轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行精確數(shù)字化，并具有板上校準(zhǔn)功能，該功能可以在信號到達(dá)控制處理器之前消除系統(tǒng)和組件漂移誤差。然后，處理器讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，然后通過低功耗高分辨率D / A轉(zhuǎn)換器將其傳輸?shù)?-20mA電流環(huán)路。
下一步是更智能的電路，稱為智能變送器（圖2）。智能變送器結(jié)合了傳感器信號和存儲器，用于存儲變送器信息以及微型計算機(jī)的雙向通訊技能。借助附加的A / D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)可以生成有關(guān)電流環(huán)路條件的數(shù)據(jù)，從而可以通過µC進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。
Maxim的新型低功耗低壓D / A轉(zhuǎn)換器滿足數(shù)字可調(diào)4–20mA電流環(huán)路的兩個要求：3V / 5V的供電電壓能力，以及能夠控制外部MOSFET柵極電壓的內(nèi)部放大器。這種配置的唯一缺點是需要驅(qū)動一個外部n溝道MOSFET，這需要更高的電源電壓。如果未在板上提供，則必須使用外部功率提升電路來實現(xiàn)該電壓。
幸運的是，大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用都提供高電壓和低電壓，以支持3V / 5V可編程邏輯控制以及要求電壓高達(dá)36V（典型值為24V）的傳感器（壓電，壓力，溫度和流量）。隨著組件供應(yīng)商適應(yīng)行業(yè)對更低功耗的需求，共閾值MOSFET（可通過單個+ 5V電源控制）的使用正在迅速普及。
結(jié)論
如果將3V / 5V DAC與4–20mA電流環(huán)路配合使用，則可以滿足對低功率半導(dǎo)體的需求。上述有效的設(shè)計都在本文中進(jìn)行了介紹。還包括有關(guān)該電流環(huán)路如何降低功耗的討論。
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