基于差分信號調(diào)理芯片JHM1101的變送電路設計

JHM1101 Based Signal Conditioning Circuit Design

劉海軍（北京久好電子科技有限公司 100085）

摘要：本文設計了一款高性價比、高穩(wěn)定性的4～20mA輸出變送電路,，主芯片采用國產(chǎn)差分信號調(diào)理芯片JHM1101，外部使用單運放搭建V/I電路,，使整個電路的元器件應用具有極高的靈活性,。搭配數(shù)字校準板及上位機軟件，就可以實現(xiàn)單路及批量的溫度補償和校準,。本電路已經(jīng)廣泛應用于液壓,、氣壓等壓力傳感器的測量并取得很好效果。

關鍵字：壓力變送器；信號調(diào)理芯片,、放大器,、儀表、Sensor

0 引言：

JHM1101是一款針對差分電阻橋式或半橋式傳感器信號設計的高精度模數(shù)轉換器,，可通過單線接口提供數(shù)字或模擬的測量輸出信號,，為傳感器提供便捷、準確的測量結果,。該芯片提供模擬和數(shù)字型輸出方式,，比如rail-to-rail輸出，0~1V輸出,，數(shù)字信號輸出,、PWM輸出。在工業(yè)類應用中,，4~20mA型的電流是最常用的輸出方式,，對此本文描述了應用JHM1101實現(xiàn)此電流輸出的方法及參考設計。

1 電路結構設計：

基于JHM1101的4～20mA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（Sensor）連接。在保證SENSOR,、U1,、U2總工作電流不超過3.5mA的前提下，通過這個V/I電路可以實現(xiàn)將電壓型校準輸出轉變成4~20mA的電流型輸出,。為了將輸出電流控制得比較小,，電阻RDD和ROUT的阻值需要是10:1的比例關系，并且RDD的阻值應該在MΩ級別,。U1建議選用5V低功耗rail-to-rail型的儀表放大器,，如OPA337。穩(wěn)壓二極管ZD2在VDD端提供電壓保護,。Q2是一個N溝道的JFET管,，用于將電源電壓穩(wěn)定到5V，型號建議選擇MMBF4393,。Q1是NPN型的三極管,，選型時需要考慮它承受的耐壓值與功率，建議選擇BCX56,。

圖1 基于JHM1101的4～20mA輸出變送基本電路

依圖1的電流輸出與JHM1101的電壓的關系式I_CL=f(V_OUT)如式1,。

       其中定義

這樣輸出電流就可以表示為：

圖1中各個電阻值為RSENS=50Ω，RDD=1.2MΩ,，ROUT=120KΩ,，RBACK=24KΩ,，芯片的供電電壓VDD=5V，那么Gain=0.2mA,，Offset=2mA,。也就是說輸出電流與電壓構成的關系式如下：

當期望的電流輸出范圍是4~20mA時，那么根據(jù)上式,，可計算出范圍為10%~90%,。

由于此電路采用了后端電流溫度補償方法，所以RE,、RSENS,、ROUT、RBACK,、RDD阻值精度在1%以內(nèi),，溫漂在100PPM以內(nèi)就可以了。在更高的精度及溫漂要求下,，可以提高這幾個元件的精度。

2 濾波網(wǎng)絡設計

為確保輸入信號盡可能沒有噪聲,，在傳感器輸出與JHM1101輸入引腳間放置一個低通濾波網(wǎng)絡,，如圖2所示。

圖2 低通濾波網(wǎng)絡原理圖

此輸入濾波器同時具有共模組件和差模組件,。由于傳感器電壓信號是一個直流信號,，為減弱任何可能出現(xiàn)的交流噪聲，這個低通濾波器的截止頻率可以設置為一個非常低的值,。

此濾波器的截止頻率公式定義：

R6=R7,；R0=R6+ RB；C5=C7,；C6=10*C5

將此差模濾波器的截止頻率設定為fC_DIFF=40HZ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至少設定為十倍頻，以避免將共模噪聲（如50HZ噪聲）轉換為JHM1101差分輸入信號,。這里假設使用陶瓷芯體,，其橋阻一般為10 KΩ左右，這里RB取值為10KΩ,。根據(jù)所需要的差模濾波器截止頻率,，只須v計算出R6和C5的數(shù)值，因為C6共模濾波電容為C5的十倍,。

在這里C5取一個電容器的常用值10nF,，通過下面的公式算出R6的數(shù)值：

將C5=10nF和fC_DIFF=23HZ代入上面公式，得出R6的理想值為：

R0=18.94KΩ

R6= R7= R0- RB=8.94KΩ

通過這個理想值,，選擇10KΩ這個常用電阻作為標準值,，使用R6=10KΩ和C5=10nF濾波器的最終截止頻率為：

fC_DIFF=37.89HZ

fC_CM=1591HZ

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

3 外部保護電路

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電路,，如圖3所示,。

圖3 外部的保護電路

兩個高壓低容量電容C1、C2提供一個高頻干擾對大地的通道,，還可抑制分布電容的影響,。兩個磁珠F1、F2在臨界交流頻率時,，呈高阻抗,，并且提供一個低直流電阻。C1,、C2,、F1、F2相互配合,，可提供EMI的保護,。

一個肖特基二極管D1和一個雙向TVS二極管提供ESD、EFT和浪涌保護,。BAS170WS保證在電源連接極性相反時,，不會有電流經(jīng)過電流環(huán)路。這個肖特基二極管針對電壓在70V以內(nèi)的極性保護,。這個模塊電流環(huán)路設計的最高電壓是30V,，所以ZD1選用一個擊穿電壓稍高于30V的雙向TVS管。選擇ZD1時還需注意,，它的漏電電流不應超過5uA,，否則會對電流的輸出結果產(chǎn)生影響。

電路的入口處的電容C3為去耦電容,，這個電容可以保證在長線的感性負載下,，電路不震蕩。

電容C1,、C2 需要有一個高耐壓值和小電容值,，這里選擇耐壓值為1KV,，電容量為10nF的貼片電容。磁珠F1,、F2需要有一個在高頻時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30V,又能經(jīng)受大電流瞬間沖擊,，和1nS以內(nèi)響應速度,，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50V,，電容值為100nF的貼片電容。

4 電路校準原理

實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系式就構成如下關系式：

為實現(xiàn)更高精度,，在校準過程中需要增加一個校準電路步驟，其目的是要計算出上式中的ΔGain,，ΔOffset,，進而計算出實際電壓輸出值。校準步驟如下：

第一,、   由第二節(jié)中的公式,，根據(jù)電流輸出，計算出2個理論的電壓輸出百分比值,；

第二,、   控制JHM1101的DAC輸出,，使之輸出相應的百分比對應電壓,；

第三、   采集對應的兩個電路電源端實際電流,；

第四,、   計算出ΔGain，ΔOffset,；

第五,、   將計算出的ΔGain，ΔOffset代入公式,，計算出電流輸出實際應該對應的電壓輸出,；

第六、   將實際電壓輸出百分比作為電橋輸出期望值,，再進行傳感器的校準操作,。

5 電流溫度補償原理

在實驗過程中，即使RSENS,、ROUT,、RBACK,、RDD這四個電阻精度達到0.1%，溫度系數(shù)達到10PPM以內(nèi),，使用普通前端補償方法校準出的電流輸出信號依然溫漂很大,。這是因為電流輸出的溫度漂移和RSENS、ROUT,、RBACK,、RDD的溫度系數(shù)及JHM1101內(nèi)部R_trim的校準精度都有關系，使得難以補償出全溫區(qū)溫漂達到0.5%以內(nèi)的變送器,，現(xiàn)在使用電流溫度補償方法可以很好地解決這種問題,。

電流溫度補償方法比較簡單分成以下四步實現(xiàn)：

第一、      在常溫下,，校準出4～20mA信號,，得到Gain_B和Offset_B兩個參數(shù)。

第二,、      將4～20mA的電流信號變換成百分比數(shù)據(jù),。

第三、      采集低溫和高溫的電流信號,，并變換成百分比數(shù)據(jù),。

第四、      通過校準算法計算出TC_g,、TC_o,、SOT等參數(shù)，完成溫度甚至二階補償,。

6 PCB電路板設計

這個設計可以采用圓形雙層PCB,，直徑為20mm，如圖4所示,。這個尺寸的PCB在變送器設計中很常見,，稍加改動就可以輕松實現(xiàn)實際應用。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溫二極管及低通濾波元件放置于底層,，也就是最靠近Sensor的位置。V/I轉換及外部保護元件則放置于頂層,。PCB板實物如圖5所示,。

圖 5 PCB板實物

為了防止浪涌帶來的電磁干擾，接地電容C1,、C2和ZD1貼近電流出入口P2放置,。Sensor信號到低通濾波器和JHM1101輸入腳的走線盡量做到最短，避免模擬信號的連線引入噪聲,。調(diào)試口連線需遠離模擬信號,，防止串擾,。去耦電容C4、C8放置在非?？拷嚓P電源引腳的位置上,。雙面大面積覆銅提供非常低的對地阻抗，必要時可增加過孔連接雙側的覆銅,，可以減小電流流過單個過孔時產(chǎn)生的電磁干擾,。

Q1的內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱量會導致環(huán)境溫度變化，這個溫度變化會導致RSENS,、ROUT,、RBACK、RDD的阻值和JHM1101精度發(fā)生變化,，所以Q1擺放盡可能遠離RSENS,、ROUT、RBACK,、RDD和JHM1101,。在圖5

PCB布局布線圖中可以發(fā)現(xiàn)，Q1除遠離對溫度敏感元件擺放外,，在它們之間還開了熱隔離槽,，盡可能的降低Q1發(fā)熱對模塊精度的影響。

         7 測試結果

至此基于JHM1101的4～20mA輸出變送電路設計完成,。還需要說明的是供電電壓與負載關系,，如圖6所示，以及電路上電的穩(wěn)定時間,，如圖7所示,。

            圖6供電電壓與負載電阻關系圖

圖7上電輸出穩(wěn)定時間測試圖

由此設計可得出較為理想的測試數(shù)據(jù)，以下為使用陶瓷壓阻芯體,，在25℃下校準后,，在25℃和85℃下的測試數(shù)據(jù),，提供給大家參考,。

1）25℃時的測試數(shù)據(jù)

2）85℃的測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試，在25~85℃溫區(qū)內(nèi),，搭配陶瓷壓阻芯體,，此電路可以達到1%FS以內(nèi)的精度，符合設計要求,。