集成电压/电流驱动的灵活4~20mA环路供电压力传感器变送器

　　电路功能与优势

　　图1所示电路是一款鲁棒且灵活的环路供电电流变送器，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。

　　该设计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4个有源器件，总不可调整误差低于1%。环路电源电压范围为12 V至36 V。

　　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. 鲁棒的环路供电压力传感器信号调理电路，具有4 mA至20 mA输出
（显示为传感器电压驱动模式），原理示意图：未显示所有连接和去耦

　　电路描述

　　该设计提供完整的4 mA至20 mA变送器压力传感器检测解决方案，整个电路由环路供电。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。

　　电路所需总电流为1.82 mA（最大值），如表1所示。因此，可在不超过4 mA最大可用环路电流的情况下使用电桥驱动电流高达2 mA的压力传感器。

　　

　　传感器激励驱动

　　需使用电压驱动或电流驱动，具体取决于所选压力传感器。该电路使用一半的ADA4091-2（U2A），并通过开关S1选择不同配置，支持两种选项之一。开关S1提供其中一种驱动选择。

　　激励：电压驱动配置

　　图2显示S1的电压驱动配置，S1位于PCB上标有VOLTAGE DRIVE处（完整电路布局和原理图参见CN0289设计支持包：http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport）。

　　

　　图2. 传感器电压驱动配置（RBRIDGE=5kΩ、VDRIVE=10V

　　电压驱动电路通常配置为10 V电桥驱动电压。在该模式下，允许的最小电桥电阻为：

　　

　　对于低于5 kΩ的电桥电阻而言，可通过移除R6并使用缓冲器配置，将驱动电压降低至5 V。

　　通过下式选择合适的R6，便可获得驱动电压的其他值：

　　

　　其中：

　　

　　请注意，环路电压VLOOP应至少比电桥驱动电压高0.2 V，以便让U2A具有足够的裕量。

　　

　　激励：电流驱动配置

　　通过将S1移动至PCB上标有CURRENT DRIVE的位置，便可将电路切换至图3所示的电流驱动配置。

　　

　　图3. 传感器电流驱动配置（RBRIDGE = 3 kΩ）

　　在电流驱动模式中，必须保留最大允许的2 mA电桥驱动电流。电路配置为R4 = 2.49 kΩ且IDRIVE = 2 mA。使用下式选择 R4值，可获得较低的 IDRIVE值：

　　

　　通过下式可计算驱动电压VDRIVE：

　　

　　U2A电源需要0.2 V裕量，因此：

　　

　　在图3中，RBRIDGE = 3 kΩ、IDRIVE = 2 mA、 VDRIVE = 11 V、VLOOP ≥ 11.2 V。

　　该电路选择运算放大器ADA4091-2，因为它具有低功耗（每个放大器250 μA）、低失调电压（250 μV）以及轨到轨输入输出特性。

　　电桥输出仪表放大器以及增益和失调电阻选择

　　电桥输出采用带宽为39.6 kHz的共模滤波器（4.02 kΩ、1 nF） 以及带宽为2 kHz的差模滤波器（8.04 kΩ、10 nF）滤波。

　　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 = 50时58μV，B级；G = 50时112μV， A级）、出色的增益非线性度（75 ppm = 0.0075%）以及轨到轨输出特性。

　　AD8226仪表放大器以系数50 V至5 V放大100 mV FS信号，增益设置电阻R3 = 1.008 kΩ。增益G和R3的关系如下：

　　

　　其中G = 50，R3 = 1008 Ω。

　　输出零值环路电流ILO = 4 mA：

　　

　　由于R10与R8之比为100:1

　　

　　合并最后两式可得：

　　

　　ILO= 4 mA时，AD8226输出为0 V；失调电阻R12可计算如下：

　　

　　若VOUT= 5.00 V，则输出环路电流ILH = 20 mA， 因此：

　　

　　

　　流经R12的电流为：

　　

　　流经R9的电流为：

　　

　　R9值可通过下式计算：

　　

　　实际使用时，R3、R12和R9的计算值将不作为标准值提供，因此电路所用的实际值将产生固定误差。这些误差可通过下式计算。

　　电阻R3、R9和R12产生的增益、失调和总误差测量值，以 %FSR表示（其中，FSR = 16 mA）：

　　

　　零电平输出（4 mA）时的总误差不受增益误差影响。

　　而满量程输出（20 mA）时的总误差可计算如下：

　　满量程误差 = 增益误差 + 失调误差

　　实际电路中，必须选择最接近EIA标准的0.1%电阻，因此可得前文所述的固定增益和失调误差。可使用两个0.1%电阻组合，以便更接近计算值。例如，下列0.1%电阻的串联组合非常接近计算值：

　　R3 = 1 kΩ + 8.06 Ω = 1008.06 Ω （计算值 = 1008 Ω）

　　R9 = 30.9 kΩ + 655 Ω = 31.555k Ω （计算值 = 31.56 kΩ）

　　R12 = 124 kΩ + 2.26 kΩ = 126.26 Ω （计算值 = 126.25 Ω）

这