浅谈高分辨率低功耗D／A转换器的智能变送器

集成电路和芯片现在正占据着整个行业的主导地位，可能会将组件填充到单个芯片中。随着电子设备的尺寸变小，系统中会散发更多的热量，因此会消耗更多的功率。当今流行的工业控制应用，例如可编程逻辑控制器，工厂过程控制，计算机数字控制（CNC）和智能变送器，都需要低功率半导体。关于这一点，开发了许多设计架构来应对这种趋势，同时保持低功耗的使用。这将包括具有3V / 5V操作的接近理想规格的最新A / D和D / A转换器。

本教程全部关于在系统中采用高分辨率低功耗D / A转换器的智能变送器。本文的一部分还特别引用了具有4-20 mA电流环路的传感器。

4-20mA传感器的基本要求为了在嘈杂的工业控制环境中传输数百码的低频低频率信号，相对于电压，电流是首选的，因为在任何时候，电流在电缆的整个长度上都是恒定的。不建议使用电压传输，因为任何点的电压都取决于线电阻和电容，它们随电缆的长度而变化。电流传输还允许单根2线电缆同时传输功率和信号。

在传输线的末端，一个精确的终端电阻将环路电流转换为一个精确的电压。该电阻（通常为50Ω至750Ω）建立电流环路接收器的输入阻抗。高信号源阻抗可最大程度地减小由线路电阻变化引起的终端电阻两端的电压波动，但同时也会吸收更多的EMI和其他工业干扰。大容量旁路电容器通过帮助降低信号源阻抗来减少EMI拾取。总而言之，电流环路具有四个主要优点：

远距离传输，无幅度损失
检测离线传感器，传输线损坏和其他故障
廉价的2线电缆
更低的EMI灵敏度
数控4-20mA电流环路

智能变送器集成了使传感器数据线性化并将其传送到主机系统的处理器或控制器。如图1所示，这些系统采用五个通用构件：一个A / D转换器，一个微控制器（µC），一些RAM，一个带可选集成放大器的D / A转换器以及一个传感器或传感器（热电偶，应变片）。规格，PT100RTD¹等）。

单通道发送器中的ADC通常包括补偿电路，而多通道系统中的ADC通常包括一个或多个运算放大器和多路复用器。先进的ADC / DAC组合可以补偿传感器的失调，失调温度系数，全跨度输出，全跨度输出温度系数和非线性。Maxim针对这些应用设计了新的0.1％精度智能信号调理器系列。

该四人系列产品中的第一批产品（MAX1450和MAX1457）现已上市。未来的成员包括MAX1458，这是一种信号调节器，可用于内部校准和压阻传感器的温度补偿（通过使用板载EEPROM的电子调整）。针对同一目的而优化的另一种未来产品（MAX1460）是高度集成的，基于信号处理器的数字补偿信号调理器。

如果传感器必须放置在爆炸性环境中，则安全措施不仅需要防止接地回路的隔离屏障，而且还需要“本质上安全”的操作；这是将发射机能量限制在低于能够产生放电的能量水平的规则。这种系统的隔离屏障通常位于电源侧。对于本质上不是安全的智能变送器系统，可以在微控制器（µC）与已调节和数字化的传感器数据之间放置隔离栅。可以通过6N136、4N26或IL300等通用光耦合器跨此障碍传输数据。

传感器电压必须通过A / D转换器（最好是具有高分辨率的A / D转换器）进行精确数字化，并具有板上校准功能，该功能可以在信号到达控制处理器之前消除系统和组件漂移误差。然后，处理器读取数据，进行处理，然后通过低功耗高分辨率D / A转换器将其传输到4-20mA电流环路。

下一步是更智能的电路，称为智能变送器（图2）。智能变送器结合了传感器信号和存储器，用于存储变送器信息以及微型计算机的双向通讯技能。借助附加的A / D转换器，系统可以生成有关电流环路条件的数据，从而可以通过µC进行调整和校准。

Maxim的新型低功耗低压D / A转换器满足数字可调4–20mA电流环路的两个要求：3V / 5V的供电电压能力，以及能够控制外部MOSFET栅极电压的内部放大器。这种配置的唯一缺点是需要驱动一个外部n沟道MOSFET，这需要更高的电源电压。如果未在板上提供，则必须使用外部功率提升电路来实现该电压。

幸运的是，大多数工业控制应用都提供高电压和低电压，以支持3V / 5V可编程逻辑控制以及要求电压高达36V（典型值为24V）的传感器（压电，压力，温度和流量）。随着组件供应商适应行业对更低功耗的需求，共阈值MOSFET（可通过单个+ 5V电源控制）的使用正在迅速普及。

结论

如果将3V / 5V DAC与4–20mA电流环路配合使用，则可以满足对低功率半导体的需求。上述有效的设计都在本文中进行了介绍。还包括有关该电流环路如何降低功耗的讨论。