基于GMR傳感器的4～20 mA兩線變送器芯片設(shè)計(jì)

吳迪等

摘 要： 巨磁電阻（GMR）傳感器具有靈敏度高、線性度好、磁滯小等優(yōu)異的性能，在工業(yè)控制等方面應(yīng)用廣泛。在涉及信號長距離傳輸?shù)膽?yīng)用中，電壓信號容易受線阻影響而衰減，因此通常采用電流環(huán)路傳遞信號?；贕MR傳感器，設(shè)計(jì)了一套4～20 mA兩線制電流環(huán)系統(tǒng)，其中包括調(diào)理電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、I/V轉(zhuǎn)換電路三個部分。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，增益可調(diào)，靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在400 kHz 的頻率下正常工作，滿足惡劣環(huán)境下應(yīng)用的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： GMR傳感器； 運(yùn)算放大器； 電流環(huán)； 工業(yè)控制

中圖分類號： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0159?04

0 引 言

由于巨磁電阻（GMR）傳感器靈敏度很高、體積很小、非線性度也很低，所以很適合用于檢測工業(yè)中的一些磁場變化，而這些磁場變化量要轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號傳輸?shù)綌?shù)百米之外的控制室或顯示設(shè)備上。電壓信號在遠(yuǎn)距離傳輸中很容易受到外界干擾和傳輸線分布電阻的影響，從而使得電壓信號產(chǎn)生失真。而電流信號基本不受這些因素的影響，因此通常將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號進(jìn)行傳輸。根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，一般采用4～20 mA的電流量來傳輸信號[1?3]。本文基于GMR傳感器，設(shè)計(jì)了一個4～20 mA兩線制收發(fā)系統(tǒng)，包括檢測端電流變送芯片和接收控制端的I/V轉(zhuǎn)換芯片，將GMR傳感器檢測到的磁場信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號，通過數(shù)百米的傳輸，再將4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換為上位機(jī)系統(tǒng)容易處理的電壓信號。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的基于GMR傳感器的4～20 mA兩線電流環(huán)路系統(tǒng)包括檢測端電流變送芯片和接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片。其中，檢測端電流變送芯片由調(diào)理電路和V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片由I/V轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖1所示。

本文分別對此三個電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。將分別對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 GMR傳感器模型

GMR傳感器是四個巨磁電阻組成的惠斯通橋構(gòu)成[4]，如圖2（a）所示。其中，兩個被屏蔽的巨磁電阻R1和R2不會受到外部磁場的影響，而未被屏蔽的巨磁電阻R3和R4會在外部磁場變化時產(chǎn)生相應(yīng)的阻值變化，從而將磁場信號轉(zhuǎn)換為差分電壓信號，并通過out1和out2端輸出。為了使仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確，本文在設(shè)計(jì)過程中建立了一個GMR傳感器模型，如圖2（b）所示。該模型采用兩個受控電壓源U1和U2來模擬磁場變化所引起的巨磁電阻R3和R4上的分壓變化，并用兩個理想的電阻來模擬被屏蔽的巨磁電阻R1和R2。

1.2 調(diào)理電路

惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的GMR傳感器存在較強(qiáng)的共模信號，且對輸入阻抗有較高的需求。為了滿足以上需求，并將信號放大到V/I轉(zhuǎn)換電路所能處理的電壓幅度范圍，本文選擇了具有共模抑制比高、線性誤差低、輸入阻抗高等特點(diǎn)的三運(yùn)放儀表放大器作為調(diào)理電路的主體結(jié)構(gòu)[5?9]。并且，儀表放大器所具備的增益可調(diào)的功能，可以使本系統(tǒng)具有更強(qiáng)的兼容性和適應(yīng)性。

1.3 電壓轉(zhuǎn)電流電路

由于工業(yè)控制環(huán)境往往非常復(fù)雜，存在著各種各樣的電氣設(shè)備和電磁信號，因此在長距離的信號傳輸過程中，電壓信號會受外界干擾以及傳輸線路上電壓降的影響而失真。使用電流信號傳輸模式可以有效地抑制這些干擾。本文設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)電流電路，如圖3所示，可以將GMR傳感器的信號轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的模擬電流信號，進(jìn)行無衰減傳輸。其中，虛線框中為電壓轉(zhuǎn)電流電路，Rline為傳輸線的線阻，標(biāo)準(zhǔn)雙絞線電阻為7 Ω/100 m，本設(shè)計(jì)針對500 m的長距離傳輸設(shè)定Rline=35 Ω。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓為12～36 V，本文為了降低功耗，通過一個穩(wěn)壓電源[10]將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成一個+5 V的直流電壓，運(yùn)放AB和A1以及1.2節(jié)所述的儀表運(yùn)算放大器均在此電源電壓下工作。

圖3中，Vi接受前級儀表運(yùn)算放大器輸出端的信號。儀表運(yùn)放根據(jù)GMR傳感器的輸出幅度通過調(diào)節(jié)增益，將輸出信號范圍調(diào)理到0.8～4 V。其中運(yùn)放AB作為緩沖級，其輸出信號范圍也為0.8～4 V。運(yùn)放A1，電阻R1～R3以及Q2和Q3組成的達(dá)林頓管共同將0.8～4 V電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流。運(yùn)放A1的反相輸入端接地，從而使其正相輸入端虛地，將電阻R1設(shè)定為20 kΩ，則可將流過R1的電流限制為40～200 μA，R1與R2串聯(lián)，流過R2的電流也為40～200 μA。由于運(yùn)放A1輸入端的虛地作用，R2和R3可以等效看作是并聯(lián)，則Io與輸入信號之間的關(guān)系如式（1）所示：

[Io=ViR1R2+R3R3] （1）

通過將R2和R3電阻的比值設(shè)定為1∶99，則IO為流過R1電流的100倍，即可得到4～20 mA的電流。由于出于低功耗的考慮，運(yùn)放驅(qū)動能力較低，該電流由一組達(dá)林頓管提供。該模塊中的運(yùn)放AB和A1均為兩級運(yùn)放。作為緩沖級的單位增益運(yùn)放AB需要能夠輸出40～200 μA的電流，或者能夠承受20 kΩ的負(fù)載，通過合理設(shè)定AB的中各個管子的寬長比，使其性能達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求。

1.4 電流轉(zhuǎn)電壓電路

在接收端，本設(shè)計(jì)通過提取R0兩端的電位，進(jìn)行差分比較得到兩端的電位差，從而將電流環(huán)路中的4～20 mA電流信號還原成電壓信號[11]，如圖4所示。

本電路即為差分放大電路，輸入與輸出信號的關(guān)系如式（2）所示：

[Vo=R3+R4R3R2R1+R2Vi2-R4R3+R4Vi1] （2）

令R1=R3，R2=R4，式（2）可以簡化為：

[Vo=-R2R1Vi1-Vi2] （3）

通過設(shè)置圖3中的R0可以得到一個合理的電壓差，即Vi2-Vi2，再通過應(yīng)用要求，調(diào)節(jié)圖4中的R1和R2，進(jìn)而將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

2 電路仿真結(jié)果及分析

穩(wěn)壓電路將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為5 V低電壓，本設(shè)計(jì)的三個主要模塊電路均是在此5 V電壓下工作。對于電壓轉(zhuǎn)電流電路，根據(jù)1.2節(jié)所述，設(shè)定R1=20 kΩ，R2=2.475 kΩ，R3=25 Ω，通過直流掃描，所得輸入/輸出關(guān)系如圖5所示。由圖可見，電流電壓增益為50 mA/V，通過提取本仿真結(jié)果曲線數(shù)據(jù)，分析可得，此電壓轉(zhuǎn)電流電路模塊的非線性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%。

而對于接收模塊電流轉(zhuǎn)電壓電路，通過在電流環(huán)中插入一個100 Ω的電阻，提取兩端電壓做減法即可恢復(fù)電壓信號，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見，GMR傳感器所感應(yīng)到的磁場信號，在轉(zhuǎn)換成電壓信號以后，通過電壓?電流、電流?電壓轉(zhuǎn)換，經(jīng)過了長距離傳輸，基本無干擾的傳到了接收端。

至此，整體電路的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示，仿真頻率為100 kHz，其中圖7（a） GMR傳感器檢測到的磁場信號為差分信號，圖7（b）為轉(zhuǎn)換成的環(huán)路4～20 mA電流，圖7（c）為接收端轉(zhuǎn)換成0.8～4 V的輸出電壓。通過小信號仿真，本設(shè)計(jì)可在400 kHz的頻率下正常工作，整體電路符合設(shè)計(jì)要求。

3 版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)版圖設(shè)計(jì)的基本原則及設(shè)計(jì)規(guī)則，本文完成了整個系統(tǒng)的版圖設(shè)計(jì)工作。檢測端版圖和接收端版圖分別如圖8和圖9所示。

4 流片測試

本系統(tǒng)中進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換的低壓核心部分進(jìn)行了MPW流片，電源管理電路采用外接方式實(shí)現(xiàn)。樣片采用COB封裝并進(jìn)行測試，圖10所示為封裝后樣片實(shí)物圖。

對該芯片進(jìn)行擺率測試。示波器中測得的結(jié)果如圖11所示。在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為1 V的方波信號的情況下，從示波器中讀出上升沿延時為6 μs，下降沿延時為30 μs。其電壓峰峰值為1.78 V，因此其對應(yīng)的環(huán)路電流的峰峰值為16.03 mA。計(jì)算可得本模塊電路的上擺率為2.67 mA/μs，下擺率為0.534 mA/μs。

對該芯片進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)測試。示波器中測得的結(jié)果如圖12所示。

在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為3.2 V的正弦信號的情況下，輸出也為正弦電壓波形，波谷電壓為0.44 V，波峰電壓為2.27 V。檢測電阻阻值為111.04 Ω，因此波谷電流3.962 5 mA，波峰電流20.443 1 mA。計(jì)算可得該電路的電流增益為103，基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的4～20 mA兩線變送器芯片其具有結(jié)構(gòu)簡單，增益可調(diào)節(jié)，靈敏度高以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。解決了信號在長距離傳輸過程中，電壓信號很容易受到干擾的問題。通過提取直流掃描仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并計(jì)算可得到V/I轉(zhuǎn)換電路的非線性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%；在頻率為400 kHz的瞬態(tài)仿真下，V/I轉(zhuǎn)換電路的幅度失調(diào)為0.04%。

本系統(tǒng)的V/I轉(zhuǎn)換核心電路進(jìn)行了MPW流片，并采用COB封裝進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本相符，可以在長距離信號傳輸中進(jìn)行基本無失真的信號傳輸。

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