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标题 基于GMR传感器的4～20 mA两线变送器芯片设计
范文 吴迪等



摘 要： 巨磁电阻（GMR）传感器具有灵敏度高、线性度好、磁滞小等优异的性能，在工业控制等方面应用广泛。在涉及信号长距离传输的应用中，电压信号容易受线阻影响而衰减，因此通常采用电流环路传递信号。基于GMR传感器，设计了一套4～20 mA两线制电流环系统，其中包括调理电路、V/I转换电路、I/V转换电路三个部分。此系统具有结构简单，增益可调，灵敏度高和抗干扰能力强等特点，能够在400 kHz 的频率下正常工作，满足恶劣环境下应用的指标要求。
关键词： GMR传感器； 运算放大器； 电流环； 工业控制
中图分类号： TN722?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0159?04
0 引 言
由于巨磁电阻（GMR）传感器灵敏度很高、体积很小、非线性度也很低，所以很适合用于检测工业中的一些磁场变化，而这些磁场变化量要转换成模拟量电压信号传输到数百米之外的控制室或显示设备上。电压信号在远距离传输中很容易受到外界干扰和传输线分布电阻的影响，从而使得电压信号产生失真。而电流信号基本不受这些因素的影响，因此通常将电压信号转换成电流信号进行传输。根据业界标准，一般采用4～20 mA的电流量来传输信号[1?3]。本文基于GMR传感器，设计了一个4～20 mA两线制收发系统，包括检测端电流变送芯片和接收控制端的I/V转换芯片，将GMR传感器检测到的磁场信号转换成4～20 mA电流信号，通过数百米的传输，再将4～20mA电流信号转换为上位机系统容易处理的电压信号。
1 电路设计与分析
本文设计的基于GMR传感器的4～20 mA两线电流环路系统包括检测端电流变送芯片和接收端电流电压转换芯片。其中，检测端电流变送芯片由调理电路和V/I转换电路构成，接收端电流电压转换芯片由I/V转换电路构成，如图1所示。
本文分别对此三个电路进行了设计和仿真。将分别对其进行设计。
1.1 GMR传感器模型
GMR传感器是四个巨磁电阻组成的惠斯通桥构成[4]，如图2（a）所示。其中，两个被屏蔽的巨磁电阻R1和R2不会受到外部磁场的影响，而未被屏蔽的巨磁电阻R3和R4会在外部磁场变化时产生相应的阻值变化，从而将磁场信号转换为差分电压信号，并通过out1和out2端输出。为了使仿真结果更为准确，本文在设计过程中建立了一个GMR传感器模型，如图2（b）所示。该模型采用两个受控电压源U1和U2来模拟磁场变化所引起的巨磁电阻R3和R4上的分压变化，并用两个理想的电阻来模拟被屏蔽的巨磁电阻R1和R2。
1.2 调理电路
惠斯通电桥结构的GMR传感器存在较强的共模信号，且对输入阻抗有较高的需求。为了满足以上需求，并将信号放大到V/I转换电路所能处理的电压幅度范围，本文选择了具有共模抑制比高、线性误差低、输入阻抗高等特点的三运放仪表放大器作为调理电路的主体结构[5?9]。并且，仪表放大器所具备的增益可调的功能，可以使本系统具有更强的兼容性和适应性。
1.3 电压转电流电路
由于工业控制环境往往非常复杂，存在着各种各样的电气设备和电磁信号，因此在长距离的信号传输过程中，电压信号会受外界干扰以及传输线路上电压降的影响而失真。使用电流信号传输模式可以有效地抑制这些干扰。本文设计的电压转电流电路，如图3所示，可以将GMR传感器的信号转换成工业标准的4～20 mA的模拟电流信号，进行无衰减传输。其中，虚线框中为电压转电流电路，Rline为传输线的线阻，标准双绞线电阻为7 Ω/100 m，本设计针对500 m的长距离传输设定Rline=35 Ω。
工业标准电压为12～36 V，本文为了降低功耗，通过一个稳压电源[10]将工业标准电压转换成一个+5 V的直流电压，运放AB和A1以及1.2节所述的仪表运算放大器均在此电源电压下工作。
图3中，Vi接受前级仪表运算放大器输出端的信号。仪表运放根据GMR传感器的输出幅度通过调节增益，将输出信号范围调理到0.8～4 V。其中运放AB作为缓冲级，其输出信号范围也为0.8～4 V。运放A1，电阻R1～R3以及Q2和Q3组成的达林顿管共同将0.8～4 V电压转换成4～20 mA电流。运放A1的反相输入端接地，从而使其正相输入端虚地，将电阻R1设定为20 kΩ，则可将流过R1的电流限制为40～200 μA，R1与R2串联，流过R2的电流也为40～200 μA。由于运放A1输入端的虚地作用，R2和R3可以等效看作是并联，则Io与输入信号之间的关系如式（1）所示：
[Io=ViR1R2+R3R3] （1）
通过将R2和R3电阻的比值设定为1∶99，则IO为流过R1电流的100倍，即可得到4～20 mA的电流。由于出于低功耗的考虑，运放驱动能力较低，该电流由一组达林顿管提供。该模块中的运放AB和A1均为两级运放。作为缓冲级的单位增益运放AB需要能够输出40～200 μA的电流，或者能够承受20 kΩ的负载，通过合理设定AB的中各个管子的宽长比，使其性能达到本设计的要求。
1.4 电流转电压电路
在接收端，本设计通过提取R0两端的电位，进行差分比较得到两端的电位差，从而将电流环路中的4～20 mA电流信号还原成电压信号[11]，如图4所示。
本电路即为差分放大电路，输入与输出信号的关系如式（2）所示：
[Vo=R3+R4R3R2R1+R2Vi2-R4R3+R4Vi1] （2）
令R1=R3，R2=R4，式（2）可以简化为：
[Vo=-R2R1Vi1-Vi2] （3）
通过设置图3中的R0可以得到一个合理的电压差，即Vi2-Vi2，再通过应用要求，调节图4中的R1和R2，进而将工业标准的4～20 mA的电流信号转换成电压信号。
2 电路仿真结果及分析
稳压电路将工业标准电压转换为5 V低电压，本设计的三个主要模块电路均是在此5 V电压下工作。对于电压转电流电路，根据1.2节所述，设定R1=20 kΩ，R2=2.475 kΩ，R3=25 Ω，通过直流扫描，所得输入/输出关系如图5所示。由图可见，电流电压增益为50 mA/V，通过提取本仿真结果曲线数据，分析可得，此电压转电流电路模块的非线性度为0.003%，幅度失调为0.037 5%。
而对于接收模块电流转电压电路，通过在电流环中插入一个100 Ω的电阻，提取两端电压做减法即可恢复电压信号，仿真结果如图6所示。由图可见，GMR传感器所感应到的磁场信号，在转换成电压信号以后，通过电压?电流、电流?电压转换，经过了长距离传输，基本无干扰的传到了接收端。
至此，整体电路的瞬态仿真结果如图7所示，仿真频率为100 kHz，其中图7（a） GMR传感器检测到的磁场信号为差分信号，图7（b）为转换成的环路4～20 mA电流，图7（c）为接收端转换成0.8～4 V的输出电压。通过小信号仿真，本设计可在400 kHz的频率下正常工作，整体电路符合设计要求。
3 版图设计
根据版图设计的基本原则及设计规则，本文完成了整个系统的版图设计工作。检测端版图和接收端版图分别如图8和图9所示。
4 流片测试
本系统中进行V/I转换的低压核心部分进行了MPW流片，电源管理电路采用外接方式实现。样片采用COB封装并进行测试，图10所示为封装后样片实物图。
对该芯片进行摆率测试。示波器中测得的结果如图11所示。在输入频率为1 kHz、峰峰值为1 V的方波信号的情况下，从示波器中读出上升沿延时为6 μs，下降沿延时为30 μs。其电压峰峰值为1.78 V，因此其对应的环路电流的峰峰值为16.03 mA。计算可得本模块电路的上摆率为2.67 mA/μs，下摆率为0.534 mA/μs。
对该芯片进行瞬态响应测试。示波器中测得的结果如图12所示。
在输入频率为1 kHz、峰峰值为3.2 V的正弦信号的情况下，输出也为正弦电压波形，波谷电压为0.44 V，波峰电压为2.27 V。检测电阻阻值为111.04 Ω，因此波谷电流3.962 5 mA，波峰电流20.443 1 mA。计算可得该电路的电流增益为103，基本符合设计指标。
5 结 语
本文所设计的4～20 mA两线变送器芯片其具有结构简单，增益可调节，灵敏度高以及抗干扰能力强等特点。解决了信号在长距离传输过程中，电压信号很容易受到干扰的问题。通过提取直流扫描仿真结果数据，并计算可得到V/I转换电路的非线性度为0.003%，幅度失调为0.037 5%；在频率为400 kHz的瞬态仿真下，V/I转换电路的幅度失调为0.04%。
本系统的V/I转换核心电路进行了MPW流片，并采用COB封装进行测试。测试结果显示与设计指标基本相符，可以在长距离信号传输中进行基本无失真的信号传输。
参考文献
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更新时间：2024/12/23 10:09:25