集成電路和芯片現(xiàn)在在行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，將許多組件填充到單個(gè)芯片中。隨著電子設(shè)備的尺寸變得越來越小，系統(tǒng)中散發(fā)的熱量越來越多，因此消耗的功率也越來越多。當(dāng)今流行的工業(yè)控制應(yīng)用，例如可編程邏輯控制器、工廠過程控制、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 和智能變送器，都需要低功耗半導(dǎo)體。對(duì)此，開發(fā)了許多設(shè)計(jì)架構(gòu)來應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，同時(shí)保持低功耗。這將包括最先進(jìn)的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器，具有近乎理想的規(guī)格和 3V/5V 操作。
    本教程主要介紹系統(tǒng)中采用的具有高分辨率低功耗 D/A 轉(zhuǎn)換器的智能發(fā)射機(jī)。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)境中在數(shù)百碼范圍內(nèi)傳輸?shù)头鹊皖l信號(hào)，電流優(yōu)于電壓，因?yàn)槿魏螘r(shí)刻的電流在整個(gè)電纜長(zhǎng)度上都是恒定的。不建議使用電壓傳輸，因?yàn)槿魏我稽c(diǎn)的電壓取決于線路電阻和電容，而線路電阻和電容隨電纜長(zhǎng)度而變化。電流傳輸還允許單根 2 線電纜同時(shí)傳輸電力和信號(hào)。
    在傳輸線的末端，精確的終端電阻器將環(huán)路電流轉(zhuǎn)換為精確的電壓。該電阻器（通常為 50Ω 至 750Ω）確定電流環(huán)路接收器的輸入阻抗。高信號(hào)源阻抗可以最大限度地減少由線路電阻變化引起的終端電阻上的電壓波動(dòng)，但它也會(huì)產(chǎn)生更多的 EMI 和其他工業(yè)干擾。大值旁路電容器有助于降低信號(hào)源阻抗，從而降低 EMI 拾取。總而言之，電流環(huán)路具有四大優(yōu)勢(shì)：
    長(zhǎng)距離傳輸無(wú)幅度損失
    檢測(cè)離線傳感器、損壞的傳輸線和其他故障
    廉價(jià)的 2 線電纜
    更低的 EMI 敏感度
    數(shù)控 4-20mA 電流環(huán)路    智能變送器包含一個(gè)處理器或控制器，可將傳感器數(shù)據(jù)線性化并將其傳送到主機(jī)系統(tǒng)。如圖 1 所示，這些系統(tǒng)采用五個(gè)通用構(gòu)建模塊：一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)微控制器 (μC)、一些 RAM、一個(gè)帶有可選集成放大器的 D/A 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)傳感器或換能器（熱電偶、應(yīng)變壓力表、PT100 RTD 等）。

   

    單通道發(fā)射器中的 ADC 通常包括補(bǔ)償電路，多通道系統(tǒng)中的 ADC 通常包括一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器和多路復(fù)用器。復(fù)雜的 ADC/DAC 組合可以補(bǔ)償傳感器的偏移、偏移溫度系數(shù)、全量程輸出、全量程輸出溫度系數(shù)和非線性。Maxim 的新型智能 0.1% 精度信號(hào)調(diào)節(jié)器系列專為這些應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
    該四成員系列的首批產(chǎn)品(MAX1450 和 MAX1457) 現(xiàn)已上市。未來的成員包括 MAX1458，這是一款信號(hào)調(diào)節(jié)器，用于內(nèi)部校準(zhǔn)和壓阻傳感器的溫度補(bǔ)償（通過使用板載 EEPROM 的電子微調(diào)）。另一種針對(duì)同一目的而優(yōu)化的未來產(chǎn)品 (MAX1460) 是一款高度集成、基于信號(hào)處理器的數(shù)字補(bǔ)償信號(hào)調(diào)節(jié)器。
    如果傳感器必須駐留在爆炸性環(huán)境中，安全措施不僅需要防止接地回路的隔離屏障，還需要“本質(zhì)安全”的操作；該規(guī)則將發(fā)射器能量水平限制在能夠產(chǎn)生放電的水平以下。此類系統(tǒng)的隔離屏障通常位于電源側(cè)。對(duì)于本質(zhì)上不安全的智能變送器系統(tǒng)，可以將隔離屏障放置在微控制器 (μC) 與經(jīng)過調(diào)節(jié)和數(shù)字化的傳感器數(shù)據(jù)之間。數(shù)據(jù)可以通過通用光耦合器（例如 6N136、4N26 或 IL300）跨過該屏障進(jìn)行傳輸。
    傳感器電壓必須通過 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精確數(shù)字化，最好是具有高分辨率和板載校準(zhǔn)功能的轉(zhuǎn)換器，可以在信號(hào)到達(dá)控制處理器之前消除系統(tǒng)和組件漂移誤差。然后處理器讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并通過低功耗高分辨率 D/A 轉(zhuǎn)換器將其傳輸?shù)?4–20mA 電流環(huán)路。    下一步是更智能的電路，稱為智能發(fā)射器（圖 2）。智能變送器將傳感器信號(hào)和用于存儲(chǔ)變送器信息的存儲(chǔ)器與微計(jì)算機(jī)的雙向通信技術(shù)結(jié)合起來。通過額外的 A/D 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)可以生成有關(guān)電流環(huán)路狀況的數(shù)據(jù)，從而可以通過 °C 進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。 

 

  

  Maxim 的新型低功耗低壓 D/A 轉(zhuǎn)換器滿足數(shù)字可調(diào) 4–20mA 電流環(huán)路的兩項(xiàng)要求：3V/5V 電源電壓能力以及能夠控制外部 MOSFET 柵極電壓的內(nèi)部放大器。這種配置的唯一缺點(diǎn)是需要驅(qū)動(dòng)外部 n 溝道 MOSFET，這需要更高的電源電壓。如果板上沒有提供，則必須通過外部升壓電路來實(shí)現(xiàn)該電壓。

    幸運(yùn)的是，大多數(shù)工業(yè)控制應(yīng)用都提供高電壓和低電壓來支持 3V/5V 可編程邏輯控制以及需要高達(dá) 36V（典型值 24V）電壓的傳感器（壓電、壓力、溫度和流量）。隨著元件供應(yīng)商適應(yīng)行業(yè)對(duì)更低功耗的需求，共閾值 MOSFET（由單個(gè) +5V 電源控制）的使用正在迅速普及。
    結(jié)論
    如果將 3V/5V DAC 與 4–20mA 電流環(huán)路結(jié)合使用，則可滿足低功耗半導(dǎo)體的需求。上述有效設(shè)計(jì)均在本文中得到呈現(xiàn)。還討論了該電流環(huán)路如何降低功耗。