电路功能及优点

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图1所示的电路是一个鲁棒灵活的环路电源电流变送器，可将压力传感器的差异电压输出转换为4 mA至20 mA电流输出。

该设计优化了各种桥式电压或电流驱动压力传感器，只使用了4个有源设备，不可调误差小于1%。环路电源电压范围为12 V至36 V。

有输入电路ESD工业应用的理想选择是提供高于供电轨道的电压保护。

图1. 鲁棒环路供电压力传感器信号调节电路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。传感器激励驱动、传感器输出放大器和电压-电流转换器有三个重要的电路级。

电路所需总电流为1.82 mA(最大值)，如表1所示。因此，可以不超过4 mA电桥驱动电流最大可用环路电流高达2 mA压力传感器。

传感器激励驱动

电压驱动或电流驱动取决于所选的压力传感器。该电路使用了一半的电路ADA4091-2（U2A），并通过开关S选择不同的配置，支持两种选项之一。S提供驱动选择之一。

激励：电压驱动配置

图2显示S1.电压驱动配置，S1位于PCB上标有VOLTAGE DRIVE参见完整的电路布局和原理图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。允许的最小电桥电阻为：

对于低于5 kΩ对于电桥电阻，可以通过移除R6.使用缓冲器将驱动电压降低到5 V。

选择合适的R其他可获得驱动电压的其他值：

其中：

请注意环路电压VLOOP至少比电桥驱动电压高.2 V，以便让U2A有足够的量。

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）

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

驱动电压可以通过下公式计算VDRIVE：

U2A电源需要0.2 V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ADA由于功耗低(每个放大器250)，4091-2 μA）、低失调电压(250 μV）以及轨到轨输入输出的特性。

电桥输出仪表放大器和增益AD芯片代理选择失调电阻

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

AD8226是仪表放大器的理想选择，因为它有低增益误差 （0.1%，B等级)，低失调（G = 50时58μV，B级；G = 50时112μV， A优秀的非线性增益(75 ppm = 0.075%)和轨到轨输出特性。

AD8226仪表放大器系数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R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

最后两种合并方式：

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值可以通过以下公式计算：

实际使用时，R3、R12和R9的计算值不会作为标准值提供，因此电路使用的实际值会产生固定误差。这些误差可以通过以下公式计算。

电阻R3、R9和R测量12产生的增益、失衡和总误差值 %FSR表示(其中，FSR = 16 mA）：

零电平输出(4 mA）总误差不受增益误差的影响。

满量程输出(20 mA）时间总误差可计算如下：

满量程误差 = 增益误差 失调误差

在实际电路中，必须选择最接近的电路EIA标准的0.1%电阻可以获得上述固定增益和失衡误差。两个0.1%电阻组合可以更接近计算值。例如，以下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 =

但在某些情况下，电阻供应商甚至不能提供标准0.1%的电阻值，因此需要更换。

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）

电阻值引起的误差可根据评估板提供的值计算如下：

失调误差 = 0.45% FSR

增益误差 = 0.66% FSR

满量程误差 = 1.11% FSR

基准电压

使用ADR025 V电桥驱动电压或电流设置为基准电压，4设置为 mA零电平失衡。其初始精度为0.1%（A级）、0.06% （B而且有10 μV p-p电压噪声。此外，它将高达 36 V电源电压工作，只消耗1 mA（最大值），是环路供电应用的理想选择。

电压b>

信号分量通过强制数值大小（I9） 和失调分量（I12）。 之和的电流流过R10，即可产生4 mA至20 mA输出电流I10 = I9 I12）在R10两端通过电压产生电压U2B和Q在感知电阻中施加R10。流经R8的电流是流经R100倍电流。因此，环路电流ILOOP可由下式计算：

选择的R8 （10 Ω）和R10 （1 kΩ）能轻松获得0.1%的容差值。

为使电路正常工作，电路电流I ICIRCUIT

受U2B输出控制的双极性NPN晶体管产生环路电流，增益应至少为300，以最大限度地减少线性误差。其击穿电压应至少为50 V。

输出晶体管Q1是一个50 V NPN25功率晶体管°C时功耗为 1.1 W。在20 mA输出电流输入为0 Ω环路负载电阻 VCC电源为36 V当电路功耗最差时。在这些条件下 Q1功耗为0.68 W。

驱动电路板的电源电压VLOOP取决于环路电源VLOOP_SUPPLY环路负载R7和环路电流 ILOOP. 这些值之间的关系如下：

如果电路正常工作，电源电压VLOOP必须大于7 V，以便为 ADR提供足够的基准电压源。

因此，

对于20 mA最大环路电流及R7 = 250 Ω

最小环路电源电压同样取决于电桥的驱动电路配置。在VDRIVE= 10 V在电压驱动模式下，电源电压VLOOP必须大于 10.2 V，这样U2A保持足够的裕度(见图2)。

在电流驱动模式下，电源电压VLOOP必须大于11.2 V，这样 U2A保持足够的裕度(见图3)。

环路电源电压限值为36 V(最大值)。

有源元件误差分析

表2和表3分别表示系统中的有源元件AD8226 和 ADR02的A、B最大误差和等级rss误差。请注意，操作放大器ADA4091-2只能用于一级。

总电路精度

电阻容差引起的总误差的合理近似计算是假设每个关键电阻对总误差的贡献相等。五个关键电阻是R3、R8、R9、R10 和R12.0.1%电阻引起的最大容差可导致0.5%总电阻误差最大值。rss误差，则总rss误差为0.1√5 = 0.224%。

因为有源器件（A等级)造成的误差需要在之前最差情况误差上增加0.5%最差情况下的电阻容差误差:

失调误差 = 0.29% 0.5% = 0.79%

增益误差 = 0.15% 0.5% = 0.65%

满量程误差 = 0.44% 0.5% = 0.94%

假设这些误差选择理想的电阻，因此误差仅来自其容差。

虽然电路允许总误差为1%或更低，但如果需要更好的精度，则电路应具有失衡和增益调节能力。 mA通过调整输出和零电平输入R12校准失调，然后1000满量程 mV通过改变输入R9调整满量程。这两种调整是独立的；假设先校准失调。

电路实际误差数据见图4。总输出误差(%FSR）除去理想输出电流与测量输出电流的差异FSR （16 mA），然后乘以100计算结果。

请注意，0 mV与1 mV输入之间的误差由AD8226输出级饱和电压，负载条件下电路误差范围为20 mV至 100 mV。通过饱和电压(双极性输出)或导（双极性输出）或导电阻（CMOS输出)达到供电轨的能力。

如果输出饱和电压引起的误差导致某些问题，电桥的输入信号可以通过 5 V将适当的电阻连接到基准电压和电桥输出的一侧进行偏置。

图4. 输出电流（%FSR）总误差与电桥输出的关系(3 kΩ电桥，24 V环路电源）