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二线制变送器的电路设计

时间:2017-03-17 10:32 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:lunwenbuluo 点击次数:

  【摘要】本文通过实际的电路设计,对二线制仪表设计的重点部分,电源设计和电流环电路设计,提供了详尽的解决方案和实用电路设计,通过新型微功耗器件TLC5615/MAX409A的应用,为二线制4-20mA电流环输出电路的设计,提供一种高精度、超低功耗的设计电路。

  【关键词】二线制;电源;TLC5615;MAX409A;功耗

  1.引言

  二线制仪表,是将工业现场的检测信号,如温度、压力、速度、流量等参数,转换为4-20mA的电流信号,传送到远距离外的控制室,以便于对生产过程进行控制。由于电流信号对噪声不敏感,不易受寄生热电偶和温漂的影响,普通双绞线上可以传输几百米距离,利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号,不受传输线的电阻影响。同时,二线制仪表符合本安防爆的要求,即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸,所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。同时二线制变送器具有布线简单的特点。

  由于二线制仪表,本身由电流环路供电,所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电,所以对仪表的功耗提出苛刻要求,不能采用常规的方法进行电路设计,为设计人员带来了困难,如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表,是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

  本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计,进行了详尽的理论分析,结合多年的工业现场的实际应用,提供了简洁实用的应用电路,采用此电路设计生产的二线制超声波物位计,经多家工业现场实际验证,性能稳定,产品输出电流精度满足设计要求。

  2.二线制变送器系统方框图

  如图1所示,4-20mA电流环路输入的24V电压,经过电源单元转换为5V精密电源,为整个系统供电。主控单元控制超声波的发射和回波信号处理,然后将处理的测量数据,通过D/A和V/I转换单元,输出4-20mA电流,接收端通过负载电阻(250欧姆)取出电压信号,同时与电流环24V电源地相连构成回路。

  图1二线制超声波测量系统框图

  3.二线制变送器电源设计理论分析

  二线制仪表的原理是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果仪表自身耗电大于4mA,那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求二线制仪表自身耗电(包括传感器在内的全部电路)小于4mA。

  (1)电压条件:在仪表电流环路中,一般取样电阻R=250Ω。当电流I=4-20mA变化时,取样电压为U=1-5V之间变化。考虑到可能会串接其他仪表,以及传输电缆的阻抗,线路阻抗R的最大值可取350Ω,因此在20mA时,仪表两端电压为(24V-20mA×350Ω)=17V.4mA时,仪表两端电压为(24V-4mA×350Ω)=22.6V,所以仪表的工作电压不能大于17V。

  (2)电流条件:仪表中总功耗电流要小于4mA。

  (3)功率条件:

  20mA时,电流环提供的功率最大:

  P=20mA×17V=340mW。

  4mA时,电流环提供的功率最小:

  P=4mA×22.6V=90.4mW。

  所以仪表消耗的功率理论上不能大于90.4mw。

  4.变送器电源单元设计

  电路设计的关键是降低电源电压转换的功耗,转换效率要高,静态电流要小。

  将电流环仪表两端的17V-22.6V电压,降压处理,有两种方法。

  第一种是直接采用线性稳压芯片,将输入电压稳压到5V,这样会造成稳压芯片本身功耗太大,无法满足其它电路的功率要求。

  第二是采用开关型DC/DC芯片,又称为BUCK降压开关电源,电源效率一般高于85%以上,但开关型电源芯片是利用储能电感储能,输出的5V电压是脉动的,电压纹波噪声不能满足D/A及CPU控制芯片的要求。

  综合考虑,本电路设计采用“开关型DC/DC芯片+LDO线性稳压器”方式,即利用开关型DC/DC芯片,将电流环提供的高电压降低,然后利用低压差线性稳压器来提高仪表电源的纹波抑制比。同时选择的芯片外围器件要少,减少能量损耗;

  设计电路如图2所示:

  图2电源模块电路图

  图2中,L1为储能电感33μH,D1续流二极管,FB=1.25V。开关型降压DC/DC芯片为MAX1776,是MAXIM公司的新型低功耗芯片,静态电流为15uA电压转换效率为95%以上,输入电压范围:Vin=4.5V~24V,输出电压可以通过电阻R1和R2进行调节,输出电压可在1.25V~Vin之间变化。

  Vout=1.25×(1+R1/R2)

  本设计中,MAX1776输出电压为7V,按电源效率95%计算,可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

  低压差线性稳压器,选择为MAX603,是MAXIM公司的超低功耗器件,静态电流15uA。MAX603输入电压范围是2.7V-11.5V,将引脚SET接地时,典型的输出电压为5V,输出电流200mA时,典型压差0.5V,为保证稳压电路可靠工作,考虑脉动成分,所以设定MAX1776输出电压为7V。

  5.4-20mA电流环电路设计

  4-20mA电流环输出信号,是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度。

  本部分电路由D/A和V/I变换部分组成,D/A部分选用美国德州仪器公司的具有串行接口的模数转换芯片TLC5615,它是超低功耗(1.75mWMAX)10位数据、3线串行接口,5V单电源工作,输出电压范围是基准电压的两倍,1.2MHZ更新速率的高精度D/A转换芯片;

  V/I变换部分采用MAX409A芯片,是美国MAXIM公司的单电源、微功耗精密单运放,是现今唯一能以1.2μA供电电流工作的运算放大器。MAX409A主要参数:单电源供电2.5V-10V,增益带宽积150,稳定增益10,工作时静态电流1.2μA。

  电流环输出模块原理图如图3所示:

  图34-20mA电流输出电路

  工作流程如下,主控CPU芯片将超声波测量单元,测得的二进制数据,通过D/A变换为0.5V~2.5V直流电压值,分别代表量程0和满量程,然后通过V/I变换电路实现4-20mA电流信号输出。

  V/I变换原理:设定TLC5615输出电压为V,R3与R5的节点电压为V1,根据运放虚短原理及输入阻抗为无穷大,MAX409A的输入端电压为零电位,有,由于V1=-I×R5当R2=200KΩ,R5=50Ω,,通过调整R3阻值(80KΩ),将0.5V-2.5V输出电压转换成4-20mA电流输出;

  经产品测试,采用此电路的超声波物位计的测量精度达到0.2%。

  6.结论

  二线制仪表的设计,是工业设计的一大难题,本文通过对二线制仪表的理论分析,提供了实用的电源设计方案,以及电流环的应用电路,通过采用超低功耗新型芯片,电路简洁,外围器件少,极大地降低了功耗,为整个系统的稳定工作和优化设计,提供了保证。采用此电路的二线制超声波物位计,经过工业现场实际应用,性能稳定,精度达到国际先进水平。

  参考文献

  [1]赵海鸣,英勇,王纪婵.一种高精度超声测距系统的研制[J].矿业研究与开发,2006(3):62-65.

  [2]王利军,田亮.二线制4-20mA仪表的电源设计[J].电力科学与工程,2010,26(5):47-50.

  [3]吴叶兰等.基于MSP430的二线制多功能表头[J].2011(10):59-60.

  [4]李迎.智能二线制温度变送器的研究[J].自动化技术与应用,2004,23(6).


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