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传感变送器简化工业设计方法
传感器变送器常用于在过程工业中帮助控制温度、压力和流量等参数。例如，我们可以在食品饮料、制药和环境控制过程中看到温度变送器(TT)。在化学工业中，温度变送器用于确保化学反应器中的溶液保持在某个恒定温度。本文主要介绍了传感器变送器简化工业设计的方法，以飨读者。

　　传感器变送器常用于在过程工业中帮助控制温度、压力和流量等参数。例如，我们可以在食品饮料、制药和环境控制过程中看到温度变送器(TT)。在化学工业中，温度变送器用于确保化学反应器中的溶液保持在某个恒定温度。

　　传感器变送器的基本功能有3个：收集传感器数据；隔离传感器与中央控制器；沿4~20mA环路发送代表测得数量的电流。开发传感器变送器应用的工程师都面临一个问题：设计时间旷日持久。设计期间，工程师必须为每种传感器进行专门配置并开发一些特殊的功能。

　　温度变送器的基础知识

　　图1显示了一款典型的温度变送器方块图。它读取温度敏感元件(例如热电偶等)采集的数据，然后通过一条较长的线缆将这一信息发送出去。

　　图1：典型的温度变送器方块图。

　　我们可以将各种温度传感器连接至变送器的模拟前端(AFE)，该模拟前端用于处理传感器信号的采集和调节。信息被传送至微控制器进行信号处理，最后再以电流的形式通过隔离层向环路发送。温度变送器由该环路自身供电，因此，在达到最高精度的同时使功耗尽可能降低至关重要。

　　温度传感应用

　　各种传感器被用于监测温度，例如电阻温度检测器(RTD)和热电偶。

　　RTD的电阻随温度而变化，这些传感器所使用的最常见的材料是铂。RTD有一系列阻抗的产品可供选择，三种常见工业标准是Pt100(100O)、Pt500(500O)和Pt1000(1000O)，RTD常用于-200~800℃之间的应用中。

　　热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。与温度相关的金属结点处产生电压。该结电压与被称为冷接点的参考电压进行比较。所有热电偶都要求冷接点参考电压维持在某个已知的温度下。冷接点传感器对冷接点温度进行监测，利用一个模拟温度传感器(如LM94022)便可以完成这项任务。利用热电偶电压和冷接点电压之差便可计算出热电偶接点的温度。热电偶可以应用到RTD类似的应用中，但精度不同。然而，其却更加牢靠，并且能够处理-270~2300℃的温度范围。

　　在图2中，LMP90080在传感器和微控制器之间提供了完整的信号通路。它具有一个灵活的输入多路复用器，能够让任何输入引脚连接到任何A/D转换器输入，从而使其能够与众多的传感器(包括热电偶、2、3、4线RTD以及热敏电阻器)实现接口。传感器AFE拥有两个可编程的匹配电流源，能够以100μA步长调节至1mA最大值。这样便可支持电阻传感器，例如RTD等。增益可以以1~128的二进制因子调节，并且设计人员能够以单周期设置选择输出数据速率(介于1.6775和214.65样本/s之间的8个值)，从而使其能够连接到各种传感器。

　　图2:LMP90080在传感器和微控制器之间提供了完整的信号通路。

　　LMP90080是引脚到引脚兼容产品系列的一员。它允许设计人员使用相同的布局，通过选择不同的特性来对设计进行优化，例如分辨率、差分通道和集成电流源等。其他特性包括连续的背景校正和诊断。

　　连续背景校正对A/D转换器的增益和偏移误差进行补偿，在实际上消除了随时间和温度变化产生的漂移。校正在不出现任何转换中断的情况下在背景下完成。这样便提高了终端产品在寿命期间的性能，并帮助缩短了与现场校正相关的停机时间。

　　传感器诊断也在背景下完成，并且不会影响信号通路性能，从而能够实现对传感器短路、开路和溢出信号的检测。LMP90080还拥有一个强健的具有循环冗余检验的串行外设接口(SPI)，以确保数据传输的完整性。

　　这些产品均由Webench传感器AFE设计工具提供支持，其可对传感器模拟信号通路解决方案进行设计、性能评估以及优化。它允许导出AFE配置，用于微控制器代码。另外，评估系统允许设计人员连接传感器、修改设计、为传感器AFEIC加载配置数据以及对完整解决方案进行评估

　　4~20mA电流环路是一个用于远距离模拟测量数据传输的工业标准，其中，两线传感器使用电流来表示测量值。电路环路传输常用于工业中，因为它拥有强健的抗干扰能力，并且非常适合于远距离传输。另外，它的成本较低，并可以用于存在爆炸隐患的区域。

　　DAC161P997(见图3)通过将所有精密元件都集成到一块芯片上，简化了电流环路设计。只需要少数几个外部器件，便可以实现低功耗、高精度的工业用4~20mA变送器。

　　图3:DAC161P997简化电流环路设计。

　　DAC161P997具有一个单线接口，它是一种强健的数字数据传输解决方案--相比SPI接口的解决方案，它可以轻松地实现电流隔离。数字数据格式支持在不丢失数据(可能影响脉宽调制方案的问题)的情况下实现数据传输。

　　器件OUT引脚提供的输出电流可表示为：

　　Iloop=(DACCODE/2^16)/24mA

　　有效的DACCODE范围为满16位代码间隔(0x0000~0xFFFF)。

　　如图3所示，由于过高的环路电源电压，DAC161P997无法直接与典型的4~20mA环路实现接口。环路电源电压必须逐步降低至3.3V.使用一个超低静态电流线性调节器(例如LM2936)或者低功耗开关调节器(例如LM2840)，便可以达到上述目标。设计人员应紧记调节器的静态电流会对最小可达环路电流产生直接影响。

　　由于温度变送器由环路本身供电，各种器件的电流消耗应尽可能低，以符合系统的3.5mA功耗预算要求。DAC161P997的电流消耗低于190μA，输出电流温度系数为29ppm/℃，而长期的输出电流漂移为90ppm满量程。

　　本文小结

　　诸如LMP90xxx和DAC161P997集成解决方案可以降低传感器和变送器组合的难度、减少器件数目并节省电路板空间。LMP90xxx可以和各种不同的传感器接口，包括温度、压力和其他电压输出检测器。这种器件由传感器AFE设计工具提供支持，它让广大的工程师能够对自己的解决方案进行在线设计与评估。
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