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电路描述 - 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

接线图 2023年09月27日 21:09 176 admin

  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。

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  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)。

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  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:

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  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:

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  其中:

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  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。

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  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。

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  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:

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  通过下式可计算驱动电压VDRIVE:

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  U2A电源需要0.2 V裕量,因此:

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  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:

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  其中G = 50,R3 = 1008 Ω。

  输出零值环路电流ILO = 4 mA:

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  由于R10与R8之比为100:1

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  合并最后两式可得:

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

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

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  流经R12的电流为:

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  流经R9的电流为:

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  R9值可通过下式计算:

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  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):

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  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)

  这些组合的误差计算如下:

  失调误差 = −0.008% FSR

  增益误差 = +0.010% FSR

  满量程误差 =

  然而在某些情况下,电阻供应商甚至连标准0.1%电阻值都无法提供,因此需进行替换。

  例如,EVAL-CN0289-EB1Z 评估板提供的电阻值如下:

  R3 = 1000 Ω(计算值 = 1008 Ω)

  R9 = 31.6 kΩ(计算值 = 31.56 kΩ)

  R12 = 124 kΩ(计算值 = 126.25 kΩ)

  根据评估板提供的数值,电阻值引起的误差可计算如下:

  失调误差 = +0.45% FSR

  增益误差 = +0.66% FSR

  满量程误差 = +1.11% FSR

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标签: adi 变送器 压力传感器

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