【導讀】集成電路和芯片現在正占據著(zhù)整個(gè)行業(yè)的主導地位，可能會(huì )將組件填充到單個(gè)芯片中。隨著(zhù)電子設備的尺寸變小，系統中會(huì )散發(fā)更多的熱量，因此會(huì )消耗更多的功率。當今流行的工業(yè)控制應用，例如可編程邏輯控制器，工廠(chǎng)過(guò)程控制，計算機數字控制（CNC）和智能變送器，都需要低功率半導體。
集成電路和芯片現在正占據著(zhù)整個(gè)行業(yè)的主導地位，可能會(huì )將組件填充到單個(gè)芯片中。隨著(zhù)電子設備的尺寸變小，系統中會(huì )散發(fā)更多的熱量，因此會(huì )消耗更多的功率。當今流行的工業(yè)控制應用，例如可編程邏輯控制器，工廠(chǎng)過(guò)程控制，計算機數字控制（CNC）和智能變送器，都需要低功率半導體。關(guān)于這一點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了許多設計架構來(lái)應對這種趨勢，同時(shí)保持低功耗的使用。這將包括具有3V / 5V操作的接近理想規格的最新A / D和D / A轉換器。
本教程全部關(guān)于在系統中采用高分辨率低功耗D / A轉換器的智能變送器。本文的一部分還特別引用了具有4-20 mA電流環(huán)路的傳感器。
4-20mA傳感器的基本要求為了在嘈雜的工業(yè)控制環(huán)境中傳輸數百碼的低頻低頻率信號，相對于電壓，電流是首選的，因為在任何時(shí)候，電流在電纜的整個(gè)長(cháng)度上都是恒定的。不建議使用電壓傳輸，因為任何點(diǎn)的電壓都取決于線(xiàn)電阻和電容，它們隨電纜的長(cháng)度而變化。電流傳輸還允許單根2線(xiàn)電纜同時(shí)傳輸功率和信號。
在傳輸線(xiàn)的末端，一個(gè)精確的終端電阻將環(huán)路電流轉換為一個(gè)精確的電壓。該電阻（通常為50Ω至750Ω）建立電流環(huán)路接收器的輸入阻抗。高信號源阻抗可最大程度地減小由線(xiàn)路電阻變化引起的終端電阻兩端的電壓波動(dòng)，但同時(shí)也會(huì )吸收更多的EMI和其他工業(yè)干擾。大容量旁路電容器通過(guò)幫助降低信號源阻抗來(lái)減少EMI拾取?？偠灾?，電流環(huán)路具有四個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
遠距離傳輸，無(wú)幅度損失
檢測離線(xiàn)傳感器，傳輸線(xiàn)損壞和其他故障
廉價(jià)的2線(xiàn)電纜
更低的EMI靈敏度
數控4-20mA電流環(huán)路
智能變送器集成了使傳感器數據線(xiàn)性化并將其傳送到主機系統的處理器或控制器。如圖1所示，這些系統采用五個(gè)通用構件：一個(gè)A / D轉換器，一個(gè)微控制器（µC），一些RAM，一個(gè)帶可選集成放大器的D / A轉換器以及一個(gè)傳感器或傳感器（熱電偶，應變片）。規格，PT100RTD¹等）。
單通道發(fā)送器中的ADC通常包括補償電路，而多通道系統中的ADC通常包括一個(gè)或多個(gè)運算放大器和多路復用器。先進(jìn)的ADC / DAC組合可以補償傳感器的失調，失調溫度系數，全跨度輸出，全跨度輸出溫度系數和非線(xiàn)性。Maxim針對這些應用設計了新的0.1％精度智能信號調理器系列。
該四人系列產(chǎn)品中的第一批產(chǎn)品（MAX1450和MAX1457）現已上市。未來(lái)的成員包括MAX1458，這是一種信號調節器，可用于內部校準和壓阻傳感器的溫度補償（通過(guò)使用板載EEPROM的電子調整）。針對同一目的而優(yōu)化的另一種未來(lái)產(chǎn)品（MAX1460）是高度集成的，基于信號處理器的數字補償信號調理器。
如果傳感器必須放置在爆炸性環(huán)境中，則安全措施不僅需要防止接地回路的隔離屏障，而且還需要“本質(zhì)上安全”的操作；這是將發(fā)射機能量限制在低于能夠產(chǎn)生放電的能量水平的規則。這種系統的隔離屏障通常位于電源側。對于本質(zhì)上不是安全的智能變送器系統，可以在微控制器（µC）與已調節和數字化的傳感器數據之間放置隔離柵?？梢酝ㄟ^(guò)6N136、4N26或IL300等通用光耦合器跨此障礙傳輸數據。
傳感器電壓必須通過(guò)A / D轉換器（最好是具有高分辨率的A / D轉換器）進(jìn)行精確數字化，并具有板上校準功能，該功能可以在信號到達控制處理器之前消除系統和組件漂移誤差。然后，處理器讀取數據，進(jìn)行處理，然后通過(guò)低功耗高分辨率D / A轉換器將其傳輸到4-20mA電流環(huán)路。
下一步是更智能的電路，稱(chēng)為智能變送器（圖2）。智能變送器結合了傳感器信號和存儲器，用于存儲變送器信息以及微型計算機的雙向通訊技能。借助附加的A / D轉換器，系統可以生成有關(guān)電流環(huán)路條件的數據，從而可以通過(guò)µC進(jìn)行調整和校準。
Maxim的新型低功耗低壓D / A轉換器滿(mǎn)足數字可調4–20mA電流環(huán)路的兩個(gè)要求：3V / 5V的供電電壓能力，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(diǎn)是需要驅動(dòng)一個(gè)外部n溝道MOSFET，這需要更高的電源電壓。如果未在板上提供，則必須使用外部功率提升電路來(lái)實(shí)現該電壓。
幸運的是，大多數工業(yè)控制應用都提供高電壓和低電壓，以支持3V / 5V可編程邏輯控制以及要求電壓高達36V（典型值為24V）的傳感器（壓電，壓力，溫度和流量）。隨著(zhù)組件供應商適應行業(yè)對更低功耗的需求，共閾值MOSFET（可通過(guò)單個(gè)+ 5V電源控制）的使用正在迅速普及。
結論
如果將3V / 5V DAC與4–20mA電流環(huán)路配合使用，則可以滿(mǎn)足對低功率半導體的需求。上述有效的設計都在本文中進(jìn)行了介紹。還包括有關(guān)該電流環(huán)路如何降低功耗的討論。
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