4mA至20mA压力传感器变送器集成电压或电流驱动
时间: 2024-11-24 19:19:13 | 作者: 产品动态
图1所示电路是一款灵活的电流发送器，可将压力传感器的差分电压输出转换为4 mA至20 mA电流输出。
该电路针对各种桥式电压或电流驱动型压力传感器而优化，仅使用了5个有源器件，总不可调整误差低于1%。电源范围为7 V至36 V，具体取决于元件和传感器驱动器配置。
该电路的输入具有ESD保护功能，并且可提供高于供电轨的电压保护，是工业应用的理想选择。
图1. 压力传感器信号调理电路，具有4 mA至20 mA输出（显示为传感器
该设计提供完整的4 mA至20 mA发送器压力传感器测量解决方案。有三个重要的电路级：传感器激励驱动、传感器输出放大器和电压-电流转换器。
电路所需总电流（不计电桥驱动电流和输出电流）为5.23 mA （最大值），如表1所示。
需使用电压驱动或电流驱动，具体取决于所选压力传感器。该电路使用四分之一的 ADA4091-4 （U2A），并通过开关S1选不一样配置，支持两种选项之一。图2显示电压驱动配置，S1位置最靠近识别标志（参见CN0295设计支持包中的完整电路布局和原理图： 。电压驱动一般会用该级的增益（1 + R5/R6）配置为6 V电桥驱动电压。其他驱动电压可通过适当改变电阻比获得：
请注意，电源电压VCC应至少比电桥驱动电压高0.2 V，以便让U2A有充足的裕量。 ADA4091-4：
该电路选择运算放大器 ADA4091-4，因为它具有低功耗（每个放大器250 A）、低失调电压（250 V）以及轨到轨输入输出特性。
因为ADR02的精度（A级：0.1%，B级：0.06%）和低静态电流 （0.8 mA）特性，选用ADR02作为5 V基准电压源。
通过将S1移动至离开识别标志最远的位置，便可将电路切换至图3所示的电流驱动配置。
AD8226是理想的仪表放大器选择，因为它具有低增益误差 （0.1%，B级）、低失调（G = 16时58 V，B级；G = 16时112 V， A级）、出色的增益非线%）以及轨到轨输入和输出特性。
对于0 V电桥输出而言，输出环路电流应当为4 mA。只需将 +0.4 V失调施加于 AD8226仪表放大器的REF输入就可以获得该数值，如图1所示。+0.4 V来自 ADR025 V基准电压源，使用分压器电阻R7/R8并利用U2B缓冲电压即可。
使用 ADR025 V基准电压设置电桥的驱动电压或电流，以及设置4 mA零电平失调。其初始精度为0.06%（B级），并且具有 10 V p-p电压噪声。此外，它能够使用高达36 V的电源电压工作，且功耗不足1 mA，是低功耗应用的理想选择。
AD8226的0 V至100 mV输入可在VOUT产生0.4 V至2.0 V的输出摆幅。U2C缓冲器将此电压施加于R13的两端，产生相应的0.4 mA至2.0 mA电流I13。晶体管Q1随后将I13电流镜像到R12，所得电压施加于R15，由此实现4 mA至20 mA的最终环路电流。晶体管Q1应具有至少300的高增益，才能最大限度减少基极电流引起的线性误差。
输出晶体管Q2是一个40 V P沟道MOSFET功率晶体管，25C 时功耗为0.75 W。在20 mA输出电流输入至0 环路负载电阻且VCC电源为36 V时，电路具有最差情况下的功耗。这些条件下的Q2功耗为0.68 W。然而，通过选择正真适合的VCC，使其至少高出最大环路负载电压3 V，就能大幅度减少Q2功耗。这样便可确保检测电阻R15两端的电压降有充足的裕量。
若要使电路正常工作，电源电压VCC必须大于7 V，以便为 ADR02 基准电压源提供充分的裕量。
最小VCC电源电压同样取决于电桥的驱动电路配置。在 VDRIVE = 6 V的电压驱动模式下，电源电压VCC必须大于6.2 V，这样U2A才能保持充足的裕量（见图2）。
在电流驱动模式下，电源电压VCC必须大于11.2 V，这样U2A 才能保持充足的裕量（见图3）。
表2和表3分别表示系统中因有源元件造成的 AD8226 和 ADR02 的A、B级最大误差及rss误差。请注意，运算放大器 ADA4091-2仅在一种等级水平下可用。
对电阻容差导致的总误差的合理近似推算是假设每个关键电阻对总误差贡献都相等。6个关键电阻是R3、R7、R8、 R12、R13和R15。0.1%电阻导致的最差情况下的容差可造成0.6%总电阻误差最大值。若假定rss误差，则总rss误差为 0.16 = 0.245%.。
将0.6%最差情况下的电阻容差误差加入到前文中由于有源元件（A级）造成的最差情况误差中，可得：
虽然电路允许具有1%或更低的总误差，若要求更佳的精度，则电路需具备失调和增益调节能力。针对4 mA输出和零电平输入，可通过调整R7或R8来校准失调，然后针对满量程100 mV输入，通过改变R3调节满量程。这两项调节是相互独立的；假定首先进行失调校准。
电路的实际误差数据见图4，其中VCC = 25 V。输出电流总误差（%FSR）通过将理想输出电流与测量输出电流的差除以 FSR （16 mA），然后将计算结果乘以100即可算出。
图4. 输出电流（%FSR）的总误差与电桥电压的关系（VCC= 25 V）