HY11P23二线式仪用表头应用说明

1 简介

工业应用上普遍需要测量一些非电的物理量信号，如温度、压力、速度、角度等等。 这些非物理量的信号会透过传感器转换成电物理量的信号，如电流、电压、功率、频率等。而这些量化信号些需再转换成标准数字通讯讯号或是模拟电信号才能传输至几十米甚至几百米外的监控中心或仪表上。

这类将物理量信号转换成模拟电信号的装置称为传送器，在工业上，广泛采用的标准模拟传输电信号是分别为0-5V、0-10V 或4-20mA，而其中以4-20mA 最为常见。在此，本文将介绍利用由HYCON 所设计的HY11P23 芯片能轻易的达到电路设计简单、消耗电流低于0.8mA 且造成的回路压降小于的优势，以实现最具成本竞争力、低消耗电流与低回路压降的两线式4-20mA 电流量测芯片与显示控制设计的解决方案介绍.。

该应用通过HY11P23芯片对二线式4-20mA传送器的电流信号进行量测与数码显示。在信号量测方面利用芯片内部ADC Gain 进行放大与18bit的ADC进行数据采集。在数码显示方面HYCON系类芯片本身低功耗的特性从而可以解决数码管显示的耗电流的问题。利用HYCON系类芯片进行设计使整个电路的外围非常简洁，在仪用表头的应用方面整体的性价比及可靠性都非常高。

2 原理说明

2.1 系统架构与类别

采用4-20mA 传送信号的原因是其不容易受干扰、电流源的并联内阻无限大且导线串联电阻在回路中不影响信号的精度，故在普通双绞信号在线可以传输数十米。电流信号处于正常操作时不会低于4mA，此设计规范主要是为了能检测出传输线的断线状态。

因为当回路因故障而断路时环路电流会降至0mA，故常以1.5mA 的电流作为断线警报值;而信号最大为20mA 则是因为工业安全上的防爆要求，因为20mA 的电流回路断线后产生的火花能量不足以引燃气体燃料(瓦斯)。

由于电流输出型的传送器需将物理量转换成4-20mA 的电流信号输出，必然需要额外提供外部电源。依其架构可区分为如图1所示：

　　图1 传送器系统架构图

四线式传送器：

常见的传送器设计，需要外接两条电源线及两条信号线。

三线式传送器：

此传送器是利用信号线与电源线共享一条线的设计，以减少一条线。

两线式传送器：

利用4-20mA 电流回路即可以供给传送器电源的设计，使传送器在电流回路中可视为一个特别的负载，其耗电电流控制在4~20mA 之间，且根据传感器的输出大小而变化，因此使得显示仪表只需要透过两条线串在回路中即可。(工业制订的电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内传送器至少有4mA 的电流供给，故使得两线制传感器的设计成为可能)工业应用领域里，测量点一般在俗称的现场，而其距离监控中心或仪表控制器之间可能数十至数百米远。若能简单的使用两条线作为信号传输，在成本上绝对有竞争优势且四线制传送器和三线制传送器常因导线内电流不对称，而必须使用昂贵的屏蔽线，而两线制传送器可使用非常便宜的双绞线导线，因此在应用中两线制传送器必然是首选。

在两线式为常首选的情况下，其4-20mA 信号测量表头加入系统回路后既不能影响信号传输的电流大小且造成的环路压降必须越小越好，更好的是电路设计简单。故在芯片的选择时常常难以两全，而HYCON 所设计的HY11P23 芯片能轻易的达到电路设计简单、消耗电流低于0.8mA 且造成的回路压降也比较小。

2.2 测量方式的比较

目前常见的两线式4-20mA 电流信号测量与控制的仪表其电路组成可分为四部分：第一部分为利用TL431 在回路电流里取出仪表芯片所需的工作电压;第二部分为利用OPAMP 放大器将模拟电流信号转成模拟电压信号;第三部分则为利用具模拟数字转换测量芯片将模拟电压信号转为数字信号;第四部分为把数值显示于显示器上或依信号大小进行其它控制事件。

　　图2.常见的LCD仪表显示控制器

图2 为常见的LCD 显示型仪表控制器的电路示意图，无论OPAMP 是否内建其电路受温度、零点偏移的影响是非常难以避免，且VDD 造成的环路压降通常大于4.3V 而消耗电流则介于1.5mA～3mA,这样回路中的电流为4mA时很难推动LED进行显示。为了要解决上述问题只能多加些成本让电路复杂、多颗低温飘系数电阻，但往往如此做了却发现所设计出的产品跟目前市面上流通的成品其成本不相上下故难具竞争力。

　　图3.HYCON LED仪表显示控制器

图3 为利用HYCON 所设计的产品规划成LED 显示型仪表控制器的电路示意图，由于其电路架构不使用OPAMP 进行电流电压转换故不会像 图2 OPAMP 的电路受温度、零点偏移的影响且该芯片低工作电压与低功耗特色，其VDD 对环路电压造成的压降小，而消耗电流低于0.8mA，在输入4mA的回路中