基于差分信號(hào)調(diào)理芯片JHM1101的變送電路設(shè)計(jì)

0   引言

JHM1101是一款針對(duì)差分電阻橋式或半橋式傳感器信號(hào)設(shè)計(jì)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可通過(guò)單線接口提供數(shù)字或模擬的測(cè)量輸出信號(hào)，為傳感器提供便捷、準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。該芯片提供模擬和數(shù)字型輸出方式，比如rail-to-rail輸出，0~1 V輸出，數(shù)字信號(hào)輸出、PWM輸出。在工業(yè)類(lèi)應(yīng)用中，(4~20) mA型的電流是最常用的輸出方式，對(duì)此本文描述了應(yīng)用JHM1101實(shí)現(xiàn)此電流輸出的方法及參考設(shè)計(jì)。

1   電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于JHM1101的(4～20)mA輸出變送電路如圖1所示，其中U2就是JHM1101芯片，直接與傳感器連接。在保證SENSOR、U1、U2總工作電流不超過(guò)3.5 mA的前提下，通過(guò)這個(gè)V/I 電路可以實(shí)現(xiàn)將電壓型校準(zhǔn)輸出轉(zhuǎn)變成(4~20) mA的電流型輸出。為了將輸出電流控制得比較小，電阻R_DD和R_OUT的阻值需要是10:1的比例關(guān)系，并且R_DD的阻值應(yīng)該在MΩ級(jí)別。U1建議選用5 V低功耗rail-to-rail型的儀表放大器，如OPA337。穩(wěn)壓二極管ZD2在V_DD端提供電壓保護(hù)。Q2是N溝道的JFET管，用于將電源電壓穩(wěn)定到5 V，型號(hào)建議選擇MMBF4393。Q1是NPN型的三極管，選型時(shí)需要考慮它承受的耐壓值與功率，建議選擇BCX56。

依圖1的電流輸出與JHM1101的電壓的關(guān)系式ICL=f (V_OUT)如式1。

其中定義

這樣輸出電流就可以表示為：

圖1中各個(gè)電阻值為R_SENS=50 Ω，R_DD=1.2 MΩ，R_OUT=120 kΩ，R_BACK=24 kΩ，芯片的供電電壓V_DD=5 V，那么Gain=0.2 mA，Offset=2 mA。也就是說(shuō)輸出電流與電壓構(gòu)成的關(guān)系式如下：I_CL=0.2 × V_DAC[%] + 2當(dāng)期望的電流輸出范圍是(4~20) mA時(shí)，那么根據(jù)上式，可計(jì)算出VDAC范圍為10%~90%。

由于此電路采用了后端電流溫度補(bǔ)償方法，所以R_E、R_SENS、R_OUT、R_BACK、R_DD阻值精度在1%以?xún)?nèi)，溫漂在100PPM以?xún)?nèi)就可以了。在更高的精度及溫漂要求下，可以提高這幾個(gè)元件的精度。

2   濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為確保輸入信號(hào)盡可能沒(méi)有噪聲，在傳感器輸出與JHM1101輸入引腳間放置1個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

此輸入濾波器同時(shí)具有共模組件和差模組件。由于傳感器電壓信號(hào)是直流信號(hào)，為減弱任何可能出現(xiàn)的交流噪聲，這個(gè)低通濾波器的截止頻率可以設(shè)置為1個(gè)非常低的值。

此濾波器的截止頻率公式定義：

R₆=R₇；R₀=R₆+ R_B；C₅=C₇；C₆=10×C₅

將此差模濾波器的截止頻率設(shè)定為f_{C_DIFF}=40 Hz，可以有效地消減全部差模交流噪聲。共模濾波器的截止頻率應(yīng)至少設(shè)定為10倍頻，以避免將共模噪聲（如50 Hz噪聲）轉(zhuǎn)換為JHM1101差分輸入信號(hào)。這里假設(shè)使用陶瓷芯體，其橋阻一般為10 kΩ左右，這里RB取值為10 kΩ。根據(jù)所需要的差模濾波器截止頻率，只須v計(jì)算出R₆和C5的數(shù)值，因?yàn)镃₆共模濾波電容為C₅的10倍。在這里C₅取電容器的常用值10 nF，通過(guò)下面的公式算出R₆的數(shù)值：

將C₅=10 nF和f_{C_DIFF}=23 Hz代入上式，得出R6的理想值為：

R₀=18.94 kΩ

R₆= R₇= R₀- R_B=8.94 kΩ

通過(guò)這個(gè)理想值，選擇10 kΩ這個(gè)常用電阻作為標(biāo)準(zhǔn)值，使用R₆=10 kΩ和C₅=10 nF濾波器的最終截止頻率為：

f_{C_DIFF}=37.89 Hz

f_{C_CM}=1 591 Hz

在大多數(shù)應(yīng)用時(shí)，低通濾波截止頻率不需要十分精確。所以C₅、C₆、C₇電容值達(dá)到10%的精度，R6、R7電阻值達(dá)到1%的精度就可以了。在要求很高精度的應(yīng)用中，例如需要更精確的低通濾波截止頻率，可以提高這幾個(gè)元件的精度。

3   外部保護(hù)電路

為了確保模塊在操作人員的誤操作和極端惡劣的環(huán)境下不損壞，在模塊的電流出入端增加了外部的保護(hù)電路，如圖3所示。

2個(gè)高壓低容量電容C₁、C₂提供1個(gè)高頻干擾對(duì)大地的通道，還可抑制分布電容的影響。2個(gè)磁珠F₁、F₂在臨界交流頻率時(shí)，呈高阻抗，并且提供低直流電阻。C₁、C₂、F₁、F₂相互配合，可提供EMI的保護(hù)。

1個(gè)肖特基二極管D1和1個(gè)雙向TVS二極管提供ESD、EFT和浪涌保護(hù)。BAS170WS保證在電源連接極性相反時(shí)，不會(huì)有電流經(jīng)過(guò)電流環(huán)路。這個(gè)肖特基二極管針對(duì)電壓在70 V以?xún)?nèi)的極性保護(hù)。這個(gè)模塊電流環(huán)路設(shè)計(jì)的最高電壓是30 V，所以ZD1選用一個(gè)擊穿電壓稍高于30 V的雙向TVS管。選擇ZD1時(shí)還需注意，它的漏電電流不應(yīng)超過(guò)5 μA，否則會(huì)對(duì)電流的輸出結(jié)果產(chǎn)生影響。

電路的入口處的電容C₃為去耦電容，這個(gè)電容可以保證在長(zhǎng)線的感性負(fù)載下，電路不震蕩。

電容C₁、C₂需要有一個(gè)高耐壓值和小電容值，這里選擇耐壓值為1 kV，電容量為10 nF的貼片電容。磁珠F₁、F₂需要有一個(gè)在高頻時(shí)的較高電阻和直流的低阻值，這里選擇MMZ1608Y152B磁珠。TVS二極管ZD1需要選擇擊穿電壓稍高于30 V，又能經(jīng)受大電流瞬間沖擊，和1 nS以?xún)?nèi)響應(yīng)速度，這里選擇SMBJ30CA。C3的選擇主要考慮耐壓值及電容值，這里選擇耐壓值50 V，電容值為100 nF的貼片電容。

4   電路校準(zhǔn)原理

實(shí)際電路電阻的阻值總是存在著誤差，因此第2節(jié)中的電流與電壓的關(guān)系式就構(gòu)成如下關(guān)系式：

為實(shí)現(xiàn)更高精度，在校準(zhǔn)過(guò)程中需要增加1個(gè)校準(zhǔn)電路步驟，目的是要計(jì)算出上式中的ΔGain ， ΔOffset ，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)際電壓輸出值。校準(zhǔn)步驟如下。

1) 由第二節(jié)中的公式，根據(jù)電流輸出，計(jì)算出2個(gè)理論的電壓輸出百分比值；

2) 控制JHM1101的DAC輸出，使之輸出相應(yīng)的百分比對(duì)應(yīng)電壓；

3) 采集對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電路電源端實(shí)際電流；

4) 計(jì)算出ΔGain ， ΔOffset ；

5) 將計(jì)算出的ΔGain ， ΔOffset 代入公式，計(jì)算出電流輸出實(shí)際應(yīng)該對(duì)應(yīng)的電壓輸出；

6) 將實(shí)際電壓輸出百分比作為電橋輸出期望值，再進(jìn)行傳感器的校準(zhǔn)操作。

5   電流溫度補(bǔ)償原理

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，即使_RSENS、R_OUT、R_BACK、R_DD這4個(gè)電阻精度達(dá)到0.1%，溫度系數(shù)達(dá)到10-5以?xún)?nèi)，使用普通前端補(bǔ)償方法校準(zhǔn)出的電流輸出信號(hào)依然溫漂很大。

這是因?yàn)殡娏鬏敵龅臏囟绕坪蚏_SENS、R_OUT、R_BACK、R_DD的溫度系數(shù)及JHM1101內(nèi)部R_trim的校準(zhǔn)精度都有關(guān)系，使得難以補(bǔ)償出全溫區(qū)溫漂達(dá)到0.5%以?xún)?nèi)的變送器，現(xiàn)在使用電流溫度補(bǔ)償方法可以很好地解決這種問(wèn)題。

電流溫度補(bǔ)償方法比較簡(jiǎn)單分成以下4步實(shí)現(xiàn)。

1) 在常溫下，校準(zhǔn)出(4～20) mA信號(hào)，得到Gain_B和Offset_B兩個(gè)參數(shù)。

2) 將(4～20) mA的電流信號(hào)變換成百分比數(shù)據(jù)。

3) 采集低溫和高溫的電流信號(hào)，并變換成百分比數(shù)據(jù)。

4) 通過(guò)校準(zhǔn)算法計(jì)算出TC_g、TC_o、SOT等參數(shù)，完成溫度甚至二階補(bǔ)償。

6   PCB電路板設(shè)計(jì)

這個(gè)設(shè)計(jì)可以采用圓形雙層PCB(印制板)，直徑為20 mm，如圖4所示。這個(gè)尺寸的PCB在變送器設(shè)計(jì)中很常見(jiàn)，稍加改動(dòng)就可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。由于PCB尺寸較小，所以元件的放置就比較緊密，JHM1101由于可能使用內(nèi)部溫度傳感器所以和測(cè)溫二極管及低通濾波元件放置于底層，也就是最靠近傳感器的位置。V/I轉(zhuǎn)換及外部保護(hù)元件則放置于頂層。PCB板實(shí)物如圖5所示。

圖4 PCB布局布線

圖5 PCB板實(shí)物

為了防止浪涌帶來(lái)的電磁干擾，接地電容C₁、C₂和Z_D1貼近電流出入口P2放置。Sensor信號(hào)到低通濾波器和JHM1101輸入腳的走線盡量做到最短，避免模擬信號(hào)的連線引入噪聲。調(diào)試口連線需遠(yuǎn)離模擬信號(hào)，防止串?dāng)_。去耦電容C4、C8放置在非?？拷嚓P(guān)電源引腳的位置上。雙面大面積覆銅提供非常低的對(duì)地阻抗，必要時(shí)可增加過(guò)孔連接雙側(cè)的覆銅，可以減小電流流過(guò)單個(gè)過(guò)孔時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。

Q1的內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致環(huán)境溫度變化，這個(gè)溫度變化會(huì)導(dǎo)致RSENS、ROUT、RBACK、RDD的阻值和JHM1101精度發(fā)生變化，所以Q1擺放盡可能遠(yuǎn)離RSENS、R_OUT、R_BACK、R_DD和JHM1101。在圖5的PCB布局布線圖中可以發(fā)現(xiàn)，Q1除遠(yuǎn)離對(duì)溫度敏感元件擺放外，在它們之間還開(kāi)了熱隔離槽，盡可能地降低Q1發(fā)熱對(duì)模塊精度的影響。

7   測(cè)試結(jié)果

至此，基于JHM1101的(4～20) mA輸出變送電路設(shè)計(jì)完成。還需要說(shuō)明的是供電電壓與負(fù)載關(guān)系，如圖6所示，以及電路上電的穩(wěn)定時(shí)間，如圖7所示。

圖7 上電輸出穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試圖

由此設(shè)計(jì)可得出較為理想的測(cè)試數(shù)據(jù)，以下為使用陶瓷壓阻芯體，在25 ℃下單溫度點(diǎn)校準(zhǔn)后，在25 ℃和85 ℃下的測(cè)試數(shù)據(jù)，提供給大家參考。

1）25 ℃時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)

2）85 ℃的測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在25~85 ℃溫區(qū)內(nèi)，搭配陶瓷壓阻芯體，此電路可以達(dá)到1%FS以?xún)?nèi)的精度（包括陶瓷壓阻芯體的溫漂），符合設(shè)計(jì)要求。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）