4–20mA 電流環(huán)路是許多行業(yè)使用的主要過程控制信號(hào)。這是一種理想的方法 傳輸過程信息，因?yàn)殡娏髟趶陌l(fā)射器傳輸?shù)?a target="_blank">接收器時(shí)不會(huì)改變。它也是 更簡(jiǎn)單且具有成本效益。但是，電壓降和需要監(jiān)控的過程變量數(shù)量可能會(huì) 影響其成本和復(fù)雜性。表1總結(jié)了4–20mA環(huán)路的優(yōu)缺點(diǎn)。

所有4–20mA傳感器變送器按其配置可分為三組：

2線（回路供電）4–20mA傳感器變送器

3線4–20mA傳感器變送器

4 線 4–20mA 傳感器變送器

環(huán)路供電的 4–20mA 傳感器變送器是最具成本效益和理想的解決方案，允許接收 通過2線4–20mA電流環(huán)路供電并傳輸數(shù)據(jù)。但是，如果傳感器本身消耗超過3-4mA 4–20mA環(huán)路預(yù)算，則需要一個(gè)額外的電源，而不是與4–20mA環(huán)路電源組合。此類傳感器 需要兩個(gè)電源和一個(gè) 4 線連接才能連接到 PLC。3線傳感器變送器是簡(jiǎn)化的 4線傳感器配置版本，允許工程師通過分離4–20mA來消除一根連接線 電流（數(shù)據(jù)）回路來自電源環(huán)路，并為傳感器提供足夠的電力。圖 1 顯示了 2-、3-、 和 4 線傳感器連接。表2總結(jié)了每種變送器的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1.傳感器變送器連接類型。

使用MAX12900作為2線、3線或4線傳感器

MAX12900為超低功耗、高集成度模擬前端（AFE），用于4–20mA傳感器發(fā)送器。它 在一個(gè)小封裝中集成了以下 10 個(gè)構(gòu)建塊：

寬輸入電源電壓低壓差（LDO）穩(wěn)壓器

兩個(gè)用于脈寬調(diào)制 （PWM） 輸入的調(diào)理器電路

兩個(gè)低功耗、低漂移通用運(yùn)算放大器

一個(gè)寬帶寬、零失調(diào)漂移運(yùn)算放大器

兩個(gè)診斷比較器

具有電源良好輸出的上電時(shí)序控制器，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)上電

低漂移基準(zhǔn)電壓源

MAX12900的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，它可以轉(zhuǎn)換來自不具有 專用DAC通過4–20mA環(huán)路輸出為電流信號(hào)，采用2線、3線或4線配置。這相當(dāng)于 超低功耗、高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由兩個(gè)PWM信號(hào)組合實(shí)現(xiàn) 從微控制器接收，兩個(gè)調(diào)理器電路和一個(gè)采用集成低功耗OP構(gòu)建的有源濾波器 放大 器。兩個(gè)調(diào)理器電路的輸出在整個(gè)電壓、電源和溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的 PWM 幅度 變化。寬帶寬放大器與分立晶體管相結(jié)合，將電壓輸入轉(zhuǎn)換為電流 輸出并允許HART和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線H1信號(hào)調(diào)制。零偏置運(yùn)算放大器和 低漂移基準(zhǔn)電壓源在很寬的溫度范圍內(nèi)提供可忽略不計(jì)的誤差。低功耗運(yùn)算放大器 比較器為增強(qiáng)診斷功能提供了構(gòu)建模塊。電源軌監(jiān)控，輸出電流 回讀、開路和故障檢測(cè)是診斷功能的幾個(gè)示例。所有這些功能，以及 超低功耗和高精度特性使MAX12900非常適合環(huán)路供電的智能傳感器發(fā)送器。?

在本應(yīng)用筆記中，我們考慮MAX12900在2線和3線工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

將MAX12900配置為2線（環(huán)路供電）發(fā)送器

圖2給出了MAX12900如何配置為環(huán)路供電的簡(jiǎn)化框圖和模型 （2線）傳感器設(shè)計(jì)。對(duì)于必須在危險(xiǎn)環(huán)境中運(yùn)行的傳感器，此配置是必需的，并且必須 符合ATEX指令94/9/EC，并獲得IECEx認(rèn)證。只有在 變送器消耗的電流小于4mA。來自微控制器的PWM信號(hào)使用以下命令進(jìn)行調(diào)理 MAX12900的片內(nèi)調(diào)理器可以構(gòu)建低通濾波器，以使用外部RC網(wǎng)絡(luò)濾除PWM信號(hào) 以及片內(nèi)運(yùn)算放大器之一。外部晶體管用于電壓到電流轉(zhuǎn)換。

圖2.采用MAX12900的環(huán)路供電傳感器框圖和模型

圖3顯示了2線環(huán)路供電傳感器的電路級(jí)實(shí)現(xiàn)。（在圖 2 中，請(qǐng)注意藍(lán)綠色塊 全部集成在MAX12900中。

圖3.使用MAX12900配置環(huán)路供電的4-20mA發(fā)送器

最常見的傳感器類型之一是測(cè)量溫度的類型。因此，接下來我們嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)溫度 傳感器變送器采用MAX12900和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MAX31856精密熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 MAX31856與熱電偶接口，并向SPI接口提供數(shù)據(jù)。還需要微控制器， 既可以從MAX31856讀取數(shù)據(jù)，又為MAX12900提供兩路PWM輸出。MAX12900評(píng)估板 （MAX12900EVKIT）為此使用低功耗STM32L071微控制器。此設(shè)計(jì)的起點(diǎn)是 分析最壞情況下的功率預(yù)算（所有條件下的最高電流消耗 溫度和電壓）。這有助于我們確定是否可以實(shí)現(xiàn) 2 線、3 線或 4 線。

根據(jù)MAX12900評(píng)估板的數(shù)據(jù)資料，MAX12900與低功耗微控制器的組合 最大功耗為3.5mA。MAX31856采用3.3V電源時(shí)最大功耗為2mA。因?yàn)榭偣臑?兩款器件均超過4mA，無法設(shè)計(jì)2線制傳感器變送器。

在3線制發(fā)送器中使用MAX12900

在消除了使用2線解決方案的可能性之后，我們接下來考慮實(shí)現(xiàn)3線解決方案的挑戰(zhàn) 設(shè)計(jì)。第一個(gè)挑戰(zhàn)與可用電源有關(guān)。在 3 線解決方案中，只有一個(gè)電源軌 可用電壓。然而，這個(gè)24V電源（來自PLC）對(duì)于微控制器和MAX31856來說太高了，兩者 采用 3.3V 電源供電。有幾種方法可以解決此問題。第一種選擇是使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，如MAX17550從+24V電源產(chǎn)生3.3V電源，為MAX31856供電，以及 微控制器，如圖4所示。MAX17550為超小尺寸、高效率、同步降壓型 DC-DC轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)25mA的電流。2通道數(shù)字隔離器MAX12930用于隔離 傳感器/MCU PWM接口與MAX12900連接。在圖 4 中，虛線框內(nèi)的組件是一個(gè)隔離的電源域 浮動(dòng)接地與 PLC 的接地參考不同。

圖4.帶DC-DC轉(zhuǎn)換器的3線傳感器變送器。

電源問題的另一種可能解決方案是使用超低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器， MAX15006AATT+，可為傳感器提供固定的3.3V電壓和高達(dá)50mA的電流，如圖5所示。

圖5.帶線性穩(wěn)壓器的 3 線傳感器變送器。

設(shè)計(jì)中要考慮的第二個(gè)問題是變送器的“浮動(dòng)接地”。傳感器本身， 微控制器和MAX12900發(fā)送器必須具有公共接地才能正確通信。同時(shí)， 接地是相對(duì)于 PLC 接地的“浮動(dòng)”點(diǎn)?！案〉亍比Q于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和回路 負(fù)載條件。還有幾種方法可以解決這個(gè)問題。一種選擇是在 微控制器和發(fā)送器，例如2通道、低功耗MAX12930（如圖4所示）進(jìn)行隔離 發(fā)射器的PWMA和PWMB輸入。

另一種選擇是使用一些有源電路，該電路持續(xù)監(jiān)控并保持公共接地電平 傳感器和微控制器。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一選項(xiàng)，是因?yàn)橥ㄓ眠\(yùn)算放大器很方便，即 OP2，板載MAX12900。這種實(shí)現(xiàn)還需要一個(gè)n溝道小信號(hào)MOSFET、Q3和一個(gè)通用器件。 pnp 晶體管，Q4，以匹配 R 上的壓降負(fù)荷和 R意義.

在12900線制發(fā)送器中使用MAX4

在展示了MAX12900如何用于2線制和3線制發(fā)送器之后，實(shí)現(xiàn)4線制方案是 簡(jiǎn)單明了，因?yàn)閭鞲衅骱?PLC 都有單獨(dú)的電源和接地回路。

結(jié)論

Maxim的MAX12900超低功耗AFE用于4–20mA發(fā)送器，具有無與倫比的靈活性， 非常適合用于帶有工業(yè)控制和自動(dòng)化傳感器的設(shè)計(jì)，其信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為 4–20mA 電流信號(hào)。

審核編輯：郭婷