傳感器變送器常用于在過程工業中幫助控制溫度、壓力和流量等參數。例如，我們可以在食品飲料、制藥和環境控制過程中看到溫度變送器(TT)。在化學工業中，溫度變送器用于確保化學反應器中的溶液保持在某個恒定溫度。

傳感器變送器的基本功能有3個：收集傳感器數據；隔離傳感器與中央控制器；沿4~20mA環路發送代表測得數量的電流。開發傳感器變送器應用的工程師都面臨一個問題：設計時間曠日持久。設計期間，工程師必須為每種傳感器進行專門配置并開發一些特殊的功能。

溫度變送器的基礎知識

圖1顯示了一款典型的溫度變送器方塊圖。它讀取溫度敏感元件(例如熱電偶等)采集的數據，然后通過一條較長的線纜將這一信息發送出去。

圖1：典型的溫度變送器方塊圖

我們可以將各種溫度傳感器連接至變送器的模擬前端(AFE)，該模擬前端用于處理傳感器信號的采集和調節。信息被傳送至微控制器進行信號處理，最后再以電流的形式通過隔離層向環路發送。溫度變送器由該環路自身供電，因此，在達到最高精度的同時使功耗盡可能降低至關重要。

溫度傳感應用

各種傳感器被用于監測溫度，例如電阻溫度檢測器(RTD)和熱電偶。

RTD的電阻隨溫度而變化，這些傳感器所使用的最常見的材料是鉑。RTD有一系列阻抗的產品可供選擇，三種常見工業標準是Pt100(100O)、Pt500(500O)和Pt1000(1000O)，RTD常用于-200~800℃之間的應用中。

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。與溫度相關的金屬結點處產生電壓。該結電壓與被稱為冷接點的參考電壓進行比較。所有熱電偶都要求冷接點參考電壓維持在某個已知的溫度下。冷接點傳感器對冷接點溫度進行監測，利用一個模擬溫度傳感器(如LM94022)便可以完成這項任務。利用熱電偶電壓和冷接點電壓之差便可計算出熱電偶接點的溫度。熱電偶可以應用到RTD類似的應用中，但精度不同。然而，其卻更加牢靠，并且能夠處理-270~2300℃的溫度范圍。

在圖2中，LMP90080在傳感器和微控制器之間提供了完整的信號通路。它具有一個靈活的輸入多路復用器，能夠讓任何輸入引腳連接到任何A/D轉換器輸入，從而使其能夠與眾多的傳感器(包括熱電偶、2、3、4線RTD以及熱敏電阻器)實現接口。傳感器AFE擁有兩個可編程的匹配電流源，能夠以100μA步長調節至1mA最大值。這樣便可支持電阻傳感器，例如RTD等。增益可以以1~128的二進制因子調節，并且設計人員能夠以單周期設置選擇輸出數據速率(介于1.6775和214.65樣本/s之間的8個值)，從而使其能夠連接到各種傳感器。

圖2：LMP90080在傳感器和微控制器之間提供了完整的信號通路

LMP90080是引腳到引腳兼容產品系列的一員。它允許設計人員使用相同的布局，通過選擇不同的特性來對設計進行優化，例如分辨率、差分通道和集成電流源等。其他特性包括連續的背景校正和診斷。

連續背景校正對A/D轉換器的增益和偏移誤差進行補償，在實際上消除了隨時間和溫度變化產生的漂移。校正在不出現任何轉換中斷的情況下在背景下完成。這樣便提高了終端產品在壽命期間的性能，并幫助縮短了與現場校正相關的停機時間。

傳感器診斷也在背景下完成，并且不會影響信號通路性能，從而能夠實現對傳感器短路、開路和溢出信號的檢測。LMP90080還擁有一個強健的具有循環冗余檢驗的串行外設接口(SPI)，以確保數據傳輸的完整性。

這些產品均由Webench傳感器AFE設計工具提供支持，其可對傳感器模擬信號通路解決方案進行設計、性能評估以及優化。它允許導出AFE配置，用于微控制器代碼。另外，評估系統允許設計人員連接傳感器、修改設計、為傳感器AFE IC加載配置數據以及對完整解決方案進行評估。

4~20mA電流環路是一個用于遠距離模擬測量數據傳輸的工業標準，其中，兩線傳感器使用電流來表示測量值。電路環路傳輸常用于工業中，因為它擁有強健的抗干擾能力，并且非常適合于遠距離傳輸。另外，它的成本較低，并可以用于存在爆炸隱患的區域。

DAC161P997(見圖3)通過將所有精密元件都集成到一塊芯片上，簡化了電流環路設計。只需要少數幾個外部器件，便可以實現低功耗、高精度的工業用4~20mA變送器。

圖3：DAC161P997簡化電流環路設計

DAC161P997具有一個單線接口，它是一種強健的數字數據傳輸解決方案——相比SPI接口的解決方案，它可以輕松地實現電流隔離。數字數據格式支持在不丟失數據(可能影響脈寬調制方案的問題)的情況下實現數據傳輸。

器件OUT引腳提供的輸出電流可表示為：

I loop =(DACCODE/2 ^16)/24mA

有效的DACCODE范圍為滿16位代碼間隔(0x0000~0xFFFF)。

如圖3所示，由于過高的環路電源電壓，DAC161P997無法直接與典型的4~20mA環路實現接口。環路電源電壓必須逐步降低至3.3V。使用一個超低靜態電流線性調節器(例如LM2936)或者低功耗開關調節器(例如LM2840)，便可以達到上述目標。設計人員應緊記，調節器的靜態電流會對最小可達環路電流產生直接影響。

由于溫度變送器由環路本身供電，各種器件的電流消耗應盡可能低，以符合系統的3.5mA功耗預算要求。DAC161P997的電流消耗低于190μA，輸出電流溫度系數為29ppm/℃，而長期的輸出電流漂移為90ppm滿量程。

本文小結

諸如LMP90xxx和DAC161P997集成解決方案可以降低傳感器和變送器組合的難度、減少器件數目并節省電路板空間。LMP90xxx可以和各種不同的傳感器接口，包括溫度、壓力和其他電壓輸出檢測器。這種器件由傳感器AFE設計工具提供支持，它讓廣大的工程師能夠對自己的解決方案進行在線設計與評估。