本應用筆記解釋了4–20mA電流環路和智能發送器，并解釋了它們對高分辨率低功耗DAC的需求。

在設計混合3V/5V微處理器控制系統時，最佳電源芯片并不是唯一需要做出的關鍵選擇。由于越來越多的系統需要能夠進行低壓啟動的低功耗組件，因此也歡迎具有近乎理想規格（包括3V/5V操作）的最先進的A/D和D/A轉換器。

當今流行的工業控制應用，如可編程邏輯控制器、工廠過程控制、計算機數控（CNC）和智能變送器，都需要低功耗半導體。與這一趨勢相一致的是使用4-20mA電流環路，這已成為工廠環境中主機和智能變送器之間模擬通信的成熟部分。本文介紹智能變送器，并解釋它們對高分辨率低功耗數模轉換器的需求。

4–20mA 傳感器的基本要求

為了在嘈雜的工業控制環境中傳輸幾百碼的低振幅低頻信號，電流優于電壓，因為任何時刻的電流在電纜的整個長度上都是恒定的。不建議進行電壓傳輸，因為任何點的電壓都取決于線路電阻和電容，它們隨電纜的長度而變化。電流傳輸還允許單根 2 芯電纜同時傳輸電源和信號。

在傳輸線的末端，一個精密的終端電阻將環路電流轉換為精確的電壓。該電阻（典型值為50Ω至750Ω）建立電流環路接收器的輸入阻抗。高信號源阻抗可最大限度地減少由線路電阻變化引起的端接電阻兩端的電壓波動，但它也會拾取更多的EMI和其他工業干擾。大值旁路電容有助于降低信號源阻抗，從而減少EMI拾取。總而言之，電流環路具有四個主要優點：

無振幅損失的長距離傳輸

檢測離線傳感器、斷開的傳輸線等 失敗

便宜的 2 芯電纜

更低的電磁干擾靈敏度

數字控制 4–20mA 電流環路

智能變送器包含一個處理器或控制器，可將傳感器數據線性化并將其傳送到主機系統。如圖1所示，這些系統采用五個通用構建模塊：A/D轉換器、微控制器（μC）、一些RAM、帶可選集成放大器的D/A轉換器以及傳感器或傳感器（熱電偶、應變片、PT100 RTD1等）。

圖1.包含μP/μC智能功能使該電路成為“智能”4–20mA發送器。

單通道發射器中的ADC通常包括補償電路，多通道系統中的ADC通常包括一個或多個運算放大器和多路復用器。復雜的ADC/DAC組合可以補償傳感器的失調、失調溫度系數、全跨輸出、全跨輸出溫度系數和非線性。Maxim為這些應用設計了0.1%精度的新型智能信號調理器系列。

該四成員系列中的首批產品（MAX1450和MAX1457）現已上市。未來的成員包括MAX1458，這是一款信號調理器，用于壓阻傳感器的內部校準和溫度補償（通過使用板載EEPROM的電子調整）。另一款針對相同用途優化的未來產品（MAX1460）是高度集成、基于信號處理器的數字補償信號調理器。

如果傳感器必須駐留在爆炸性環境中，安全措施不僅需要防止接地回路的隔離柵，還需要“本質安全”的操作;這是將發射器能量水平限制在能夠產生放電的水平以下的規則。這種系統的隔離柵通常位于電源側。對于非本質安全的智能變送器系統，隔離柵可以放置在微控制器（μC）與調理和數字化傳感器數據之間。數據可以通過通用光耦合器（如6N136、4N26或IL300）跨越此屏障傳輸。

傳感器電壓必須通過A/D轉換器進行精確數字化，最好是具有高分辨率和板載校準功能的轉換器，以便在信號到達控制處理器之前消除系統和元件漂移誤差。然后，處理器讀取數據，對其進行處理，并通過低功耗高分辨率D/A轉換器將其傳輸到4–20mA電流環路。

下一步是更智能的電路，稱為智能變送器（圖 2）。智能變送器將用于存儲變送器信息的換能器信號和存儲器與微型計算機的雙向通信技能相結合。通過附加的A/D轉換器，系統可以生成有關電流環路條件的數據，從而可以通過μC進行調整和校準。

圖2.μP/μC智能與傳感器的關聯產生了一個“智能”的4–20mA發射器。

Maxim的新型低功耗低壓D/A轉換器滿足數字可調4–20mA電流環路的兩個要求：3V/5V電源電壓能力，以及能夠控制外部MOSFET柵極電壓的內部放大器。這種配置的唯一缺點是需要驅動一個外部n溝道MOSFET，這需要更高的電源電壓。如果未在板上提供，則必須通過外部升壓電路實現此電壓。

幸運的是，大多數工業控制應用提供高電壓和低電壓，以支持3V/5V可編程邏輯控制以及需要高達36V（典型值為24V）電壓的傳感器（壓電、壓力、溫度和流量）。隨著元件供應商適應行業對低功耗的需求，共閾值MOSFET（可由+5V單電源控制）的使用正在迅速普及。

通過將運算放大器和MOSFET與表4中的D/A轉換器之一組合在一起，可以創建一個可靠的、數字可調的20–1mA電流環路。這些數模轉換器大多具有施密特觸發器輸入，可直接與隔離系統中的光耦合器接口。

表 1.用于 4–20mA 電流環路的數模轉換器

型	分辨率	可變可變電范圍	DAC	上電復位	關閉	施密特觸發器輸入	用戶可編程輸出	內部參考	軌到軌 輸出	包*
MAX5354	10	5V ± 10%	1							微最大
MAX5355	10	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX5251	10	3V 至 3.6V	4							SSOP
MAX5352	12	5V ± 10%	1							微最大
MAX5353	12	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX531	12	5V ± 10%	1							所以
MAX5156	12	5V ± 10%	2							QSOP
MAX5157	12	2.7V 至 3.6V	2							QSOP
MAX5253	12	3V 至 3.6V	4							SSOP
MAX535	13	5V± 10%	1							微最大
MAX5351	13	3.15V 至 3.6V	1							微最大
MAX5152	13	5V ± 10%	2							QSOP
MAX5153	13	2.7V 至 3.6V	2							QSOP

*除列出的封裝外，所有部件均以 DIP 形式提供。

圖13所示的3位低功耗電壓輸出D/A轉換器包括可直接驅動外部MOSFET的精密輸出放大器。您也可以使用外部運算放大器旁路該內部放大器。 SPI?、QSPI?和Microwire?兼容性簡化了轉換器的數據接口，使其適合與工業控制應用中的大多數處理器和控制器配合使用。

圖3.這種簡單的數字可調 4–20mA 電流環路適用于中等距離傳輸。

在長距離信號傳輸期間，轉換器的力和檢測引腳（OUT和FB）可立即補償接收器處的誤差電壓。這些與內部用戶可編程輸出放大器的連接還允許您配置簡化的電流環路（圖 4）。

圖4.在圖3電路中增加一個高壓運算放大器可為MOSFET提供強勁的柵極驅動，從而實現長距離電流環路傳輸。

一個外部MOSFET（表2）以50Ω電阻確定的電流驅動環路：

IOUT = （VREF/RSENSE）（DIN/2N）

DAC 的分辨率為 N，其輸入代碼的十進制等效值為 D在，表示傳感器經微機處理后的數字化輸出。串行、3V/5V MAX535/MAX5351轉換器的分辨率為13位，滿量程范圍為2N= 213= 8192。用于1.2V基準、50Ω檢流電阻和滿量程DAC輸出D。在= 8192，輸出電流為I外= V裁判/R意義= 1.2V/50Ω = 24mA。

MAX1/MAX200基準輸出典型值為6120.6520V，非常適合這些應用。MAX100的精度為30ppm/°C （典型值為6120ppm），高精度MAX50的精度為25ppm/°C （典型值為6520ppm）。圖3和圖4中的小封裝（MAX535/MAX5351為μMAX，MAX23/MAX6120為SOT6520）支持空間受限應用。一些工業控制電流環路具有60Ω檢測電阻，允許的最大環路電流僅為20mA。這還不夠，因為大多數環路必須能夠提供10%的超量程（即，在這種情況下為20mA + 2mA = 22mA）。將基準電壓設置得略高（至1.44V）可解決此問題。

表 2.用于 4–20mA 電流環路的 N 溝道 MOSFET

監控通過電機塊的峰值電流

工業環境中常見的另一個應用是同步/異步電機和伺服電機的數字控制。圖5中的電路檢測電機模塊中的過大電流（即超過可調閾值的電機電流），并顯示該值或反饋該值，供控制器或嵌入式處理器用于調節電流環路。為了獲得最大的靈活性，系統應允許您隨時將此閾值設置為允許范圍內的任何級別。

圖5.當檢測到電機中的過大電流時，該數字控制的電流監視器會向μP發出警報。

IC4是一款高端電流檢測放大器，其電流源輸出（OUT）提供的電流等于流經其RG1/RG1000端子的監控電流的1/2。OUT 電流產生 R 中的電壓外與電機電流成比例，比較器（IC3）將該電機電流信號與DAC設置的閾值電壓進行比較。DAC輸出表示的跳變閾值可以通過用戶界面進行編程，從另一個系統發送或存儲在外部存儲器中。作為另一種選擇，外部A/D轉換器可以使該閾值依賴于其他條件或參數。

10位串行輸入DAC的可變增益輸出級可以針對各種應用進行配置，類似于圖5所示的單極性情況。為了適應雙極性信號，輸出級的可訪問反相輸入允許您形成具有增益的反相或同相放大器。

經μP處理后，數字數據通過3線接口以單個16位字或兩個8位字（3個控制位和10+3個數據位）的形式饋送到DAC。DAC的雙緩沖輸入級使其能夠加載新數據，而不會干擾DAC寄存器中的“舊”數據。DAC的輸出電壓擺幅由輸出增益和外部基準電壓決定。例如，增益為2和5.50V、6125ppm/°C的MAX0產生5V至6325V的輸出擺幅。為了獲得更好的精度和更低的噪聲，請選擇MAX1，其輸出噪聲為5.1μVp-p，溫度系數為2ppm/°C至5.<>ppm/°C。

因此，比較器輸出保持高電平，直到電機電流超過DAC輸出門限;然后，它提供從低到高的μP轉換。大部分電機電流由分流電阻器轉移，導致比較器反相輸入端的電機電流信號表達式如下：

VOUT = (RSHUNT*ROUT*IMOTOR)/RG, where

VOUT為MAX4172輸出電壓，
RSHUNT是檢流電阻，
ROUT是電壓設定電阻，
IMOTOR是滿量程感測的電機電流，并且
RG = RG1 = RG2 是增益設置電阻。

Maxim目前正在開發的產品包括帶內部基準的13位DAC和精度更高的14位DAC。此外，還開發了代表傳感器和微控制器之間的調節和數字化功能的產品。例如，新型16位過采樣模數轉換器（MAX1400，來自Maxim的新型低功耗16位Δ-σ轉換器系列）旨在滿足行業對傳感器數據數字化的需求。

審核編輯：郭婷