基于差分信号调理芯片JHM1101的变送电路设计

2020-07-10 18:15:57 68

基于差分信号调理芯片JHM1101的变送电路设计

JHM1101 Based Signal Conditioning Circuit Design

刘海军(北京久好电子科技有限公司 100085

 

摘要:本文设计了一款高性价比、高稳定性的420mA输出变送电路,主芯片采用国产差分信号调理芯片JHM1101,外部使用单运放搭建V/I电路,使整个电路的元器件应用具有极高的灵活性。搭配数字校准板及上位机软件,就可以实现单路及批量的温度补偿和校准。本电路已经广泛应用于液压、气压等压力传感器的测量并取得很好效果。

 

关键字压力变送器;信号调理芯片、放大器、仪表、Sensor

 

0 引言:

JHM1101是一款针对差分电阻桥式或半桥式传感器信号设计的高精度模数转换器,可通过单线接口提供数字或模拟的测量输出信号,为传感器提供便捷、准确的测量结果。该芯片提供模拟和数字型输出方式,比如rail-to-rail输出,0~1V输出,数字信号输出、PWM输出。在工业类应用中,4~20mA型的电流是最常用的输出方式,对此本文描述了应用JHM1101实现此电流输出的方法及参考设计。

1 电路结构设计:

基于JHM1101420mA输出变送电路如图1所示,其中U2就是JHM1101芯片,直接与传感器(Sensor)连接。在保证SENSORU1U2总工作电流不超过3.5mA的前提下,通过这个V/I电路可以实现将电压型校准输出转变成4~20mA的电流型输出。为了将输出电流控制得比较小,电阻RDDROUT的阻值需要是10:1的比例关系,并且RDD的阻值应该在MΩ级别。U1建议选用5V低功耗rail-to-rail型的仪表放大器,如OPA337。稳压二极管ZD2VDD端提供电压保护。Q2是一个N沟道的JFET管,用于将电源电压稳定到5V,型号建议选择MMBF4393Q1NPN型的三极管,选型时需要考虑它承受的耐压值与功率,建议选择BCX56

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图1 基于JHM1101的4~20mA输出变送基本电路

 

依图1的电流输出与JHM1101的电压的关系式ICL=f(VOUT)如式1

image.png

       其中定义

image.png

image.png

这样输出电流就可以表示为:

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1中各个电阻值为RSENS=50ΩRDD=1.2MΩROUT=120KΩRBACK=24KΩ,芯片的供电电压VDD=5V,那么Gain=0.2mAOffset=2mA。也就是说输出电流与电压构成的关系式如下:

image.png

当期望的电流输出范围是4~20mA时,那么根据上式,可计算出image.png范围为10%~90%

由于此电路采用了后端电流温度补偿方法,所以RERSENSROUTRBACKRDD阻值精度在1%以内,温漂在100PPM以内就可以了。在更高的精度及温漂要求下,可以提高这几个元件的精度。

2 滤波网络设计

为确保输入信号尽可能没有噪声,在传感器输出与JHM1101输入引脚间放置一个低通滤波网络,如图2所示。

image.png

图2 低通滤波网络原理图

此输入滤波器同时具有共模组件和差模组件。由于传感器电压信号是一个直流信号,为减弱任何可能出现的交流噪声,这个低通滤波器的截止频率可以设置为一个非常低的值。

此滤波器的截止频率公式定义:

R6=R7R0=R6+ RBC5=C7C6=10*C5

image.png

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将此差模滤波器的截止频率设定为fC_DIFF=40HZ可以有效地消减全部差模交流噪声。共模滤波器的截止频率应至少设定为十倍频,以避免将共模噪声(如50HZ噪声)转换为JHM1101差分输入信号。这里假设使用陶瓷芯体,其桥阻一般为10 KΩ左右,这里RB取值为10KΩ根据所需要的差模滤波器截止频率,v计算出R6C5的数值,因为C6共模滤波电容为C5的十倍。

在这里C5取一个电容器的常用值10nF,通过下面的公式算出R6的数值:

image.png

C5=10nFfC_DIFF=23HZ代入上面公式,得出R6的理想值为:

R0=18.94KΩ

R6= R7= R0- RB=8.94KΩ

通过这个理想值,选择10KΩ这个常用电阻作为标准值,使用R6=10KΩC5=10nF滤波器的最终截止频率为:

fC_DIFF=37.89HZ

fC_CM=1591HZ

在大多数应用时,低通滤波截止频率不需要十分精确。所以C5C6C7电容值达到10%的精度,R6R7电阻值达到1%的精度就可以了。在要求很高精度的应用中,比如需要更精确的低通滤波截止频率,可以提高这几个元件的精度。

 

3 外部保护电路

为了确保模块在操作人员的误操作和极端恶劣的环境下不损坏,在模块的电流出入端增加了外部的保护电路,如图3所示。

image.png

图3 外部的保护电路

两个高压低容量电容C1C2提供一个高频干扰对大地的通道,还可抑制分布电容的影响。两个磁珠F1F2在临界交流频率时,呈高阻抗,并且提供一个低直流电阻。C1C2F1F2相互配合,可提供EMI的保护。

一个肖特基二极管D1和一个双向TVS二极管提供ESDEFT和浪涌保护。BAS170WS保证在电源连接极性相反时,不会有电流经过电流环路。这个肖特基二极管针对电压在70V以内的极性保护。这个模块电流环路设计的最高电压是30V,所以ZD1选用一个击穿电压稍高于30V的双向TVS管。选择ZD1时还需注意,它的漏电电流不应超过5uA,否则会对电流的输出结果产生影响。

电路的入口处的电容C3为去耦电容,这个电容可以保证在长线的感性负载下,电路不震荡。

电容C1C2 需要有一个高耐压值和小电容值,这里选择耐压值为1KV,电容量为10nF的贴片电容。磁珠F1F2需要有一个在高频时的较高电阻和直流的低阻值,这里选择MMZ1608Y152B磁珠。TVS二极管ZD1需要选择击穿电压稍高于30V,又能经受大电流瞬间冲击,和1nS以内响应速度,这里选择SMBJ30CAC3的选择主要考虑耐压值及电容值,这里选择耐压值50V,电容值为100nF的贴片电容。

4 电路校准原理

实际电路电阻的阻值总是存在着误差,因此第2节中的电流与电压的关系式就构成如下关系式:

image.png

为实现更高精度,在校准过程中需要增加一个校准电路步骤,其目的是要计算出上式中的ΔGainΔOffset,进而计算出实际电压输出值。校准步骤如下:

第一、   由第二节中的公式,根据电流输出,计算出2个理论的电压输出百分比值;

第二、   控制JHM1101DAC输出,使之输出相应的百分比对应电压;

第三、   采集对应的两个电路电源端实际电流;

第四、   计算出ΔGainΔOffset

第五、   将计算出的ΔGainΔOffset代入公式,计算出电流输出实际应该对应的电压输出;

第六、   将实际电压输出百分比作为电桥输出期望值,再进行传感器的校准操作。

5 电流温度补偿原理

在实验过程中,即使RSENSROUTRBACKRDD这四个电阻精度达到0.1%,温度系数达到10PPM以内,使用普通前端补偿方法校准出的电流输出信号依然温漂很大。这是因为电流输出的温度漂移和RSENSROUTRBACKRDD的温度系数及JHM1101内部R_trim的校准精度都有关系,使得难以补偿出全温区温漂达到0.5%以内的变送器,现在使用电流温度补偿方法可以很好地解决这种问题。

电流温度补偿方法比较简单分成以下四步实现:

第一、      在常温下,校准出420mA信号,得到Gain_BOffset_B两个参数。

第二、      420mA的电流信号变换成百分比数据。

第三、      采集低温和高温的电流信号,并变换成百分比数据。

第四、      通过校准算法计算出TC_gTC_oSOT等参数,完成温度甚至二阶补偿。

6 PCB电路板设计

这个设计可以采用圆形双层PCB,直径为20mm,如图4所示。这个尺寸的PCB在变送器设计中很常见,稍加改动就可以轻松实现实际应用。由于PCB尺寸较小所以元件的放置就比较紧密,JHM1101由于可能使用内部温度传感器所以和测温二极管及低通滤波元件放置于底层,也就是最靠近Sensor的位置。V/I转换及外部保护元件则放置于顶层。PCB板实物如图5所示。

image.png

5 PCB板实物

为了防止浪涌带来的电磁干扰,接地电容C1C2ZD1贴近电流出入口P2放置。Sensor信号到低通滤波器和JHM1101输入脚的走线尽量做到最短,避免模拟信号的连线引入噪声。调试口连线需远离模拟信号,防止串扰。去耦电容C4C8放置在非常靠近相关电源引脚的位置上。双面大面积覆铜提供非常低的对地阻抗,必要时可增加过孔连接双侧的覆铜,可以减小电流流过单个过孔时产生的电磁干扰。

Q1的内部功耗产生的热量会导致环境温度变化,这个温度变化会导致RSENSROUTRBACKRDD的阻值和JHM1101精度发生变化,所以Q1摆放尽可能远离RSENSROUTRBACKRDDJHM1101。在图5

PCB布局布线图中可以发现,Q1除远离对温度敏感元件摆放外,在它们之间还开了热隔离槽,尽可能的降低Q1发热对模块精度的影响。

         7 测试结果

至此基于JHM1101420mA输出变送电路设计完成。还需要说明的是供电电压与负载关系,如图6所示,以及电路上电的稳定时间,如图7所示。

image.png

            图6供电电压与负载电阻关系图

image.png

图7上电输出稳定时间测试图

由此设计可得出较为理想的测试数据,以下为使用陶瓷压阻芯体,在25℃下校准后,在25℃和85℃下的测试数据,提供给大家参考。

125℃时的测试数据

压力(MPa

正行程输出(mA

反行程输出(mA

0

4.003

4.003

0.1

6.662

6.664

0.2

9.331

9.335

0.3

12.001

12.004

0.4

14.668

14.675

0.5

17.33

17.339

0.6

20.003

20.004

285℃的测试数据

压力(MPa

正行程输出(mA

反行程输出(mA

0

3.989

3.989

0.1

6.664

6.664

0.2

9.35

9.344

0.3

12.037

12.032

0.4

14.722

14.717

0.5

17.411

17.406

0.6

20.103

20.098

经过测试,在25~85℃温区内,搭配陶瓷压阻芯体,此电路可以达到1%FS以内的精度,符合设计要求。