在设计混合3V/5V微处理器控制系统时，最佳的电源芯片并不是唯一的关键选择。由于越来越多的系统需要能够低压启动的低功耗组件，因此具有接近理想规格(包括3V/5V工作)的先进A/D和D/A转换器也受到欢迎。

当今流行的工业控制应用，如可编程逻辑控制器，工厂过程控制，计算机数字控制(CNC)和智能变送器，都需要低功耗半导体。与这种趋势相一致的是使用4-20mA电流回路，它已成为工厂环境中主机和智能变送器之间的完善部分。本文描述了智能变送器，并解释了它们对高分辨率低功耗D/A转换器的需求。

4-20mA换能器基本要求

在嘈杂的工业控制环境中传输几百码的低幅度低频信号时，电流比电压更可取，因为在电缆的整个长度上，任何时刻的电流都是恒定的。不建议电压传输，因为任何一点的电压取决于线路电阻和电容，它们随电缆的长度而变化。电流传输也允许一根2线电缆同时传输电力和信号。

在传输线的末端，一个精确的终端电阻将环路电流转换成精确的电压。这个电阻(通常是50欧姆到750欧姆)建立电流环路接收器的输入阻抗。高信号源阻抗可以最大限度地减少由线路电阻变化引起的终端电阻上的电压波动，但它也会吸收更多的电磁干扰和其他工业干扰。大值旁路电容器通过帮助降低信号源阻抗来减少EMI拾取。总而言之，电流环路提供了四个主要优点:

• 远距离传输无幅度损失

• 检测离线传感器，断线传输线，和其他故障

• 廉价的2线电缆

• 更低的电磁干扰灵敏度

数字控制4-20mA电流回路

智能变送器包含处理器或控制器，用于线性化传感器数据并将其传输到主机系统。如图1所示，这些系统采用五个通用构建模块:A/D转换器，微控制器(µC)，一些RAM，带可选集成放大器的D/A转换器，以及传感器或传感器(热电偶，应变计，PT100 RTD(1)等)。

单通道发射机中的ADC通常包括补偿电路，多通道系统中的ADC通常包括一个或多个运算放大器和多路复用器。先进的ADC/DAC组合可以补偿传感器的偏置、偏置温度系数、全跨输出、全跨输出温度系数和非线性。Maxim为这些应用设计了一系列精度为0.1%的智能信号调节器。

这个四成员系列的首批产品(MAX1450和MAX1457)现已上市。未来的成员包括MAX1458，一种用于内部校准和压阻传感器温度补偿的信号调节器(通过使用板载EEPROM的电子调节)。另一款针对相同目的进行优化的未来产品(MAX1460)是一款高度集成、基于信号处理器的数字补偿信号调节器。

如果传感器必须在爆炸性环境中工作，则安全措施不仅需要防止接地回路的隔离屏障，还需要“本质安全”的操作;这是一个将发射机能量限制在能够产生放电的水平以下的规则。这种系统的隔离屏障通常位于电源侧。对于本质上不安全的智能发射机系统，可以在微控制器(µC)和条件和数字化传感器数据之间放置隔离屏障。数据可以通过通用光耦合器(如6N136、4N26或IL300)传输。

传感器电压必须通过A/D转换器精确数字化，最好是具有高分辨率和板载校准能力的转换器，在信号到达控制处理器之前消除系统和组件漂移误差。然后处理器读取数据，进行处理，并通过低功耗高分辨率D/ a转换器将其传输到4-20mA电流回路。

下一步是一种更智能的电路，称为智能发射器(图2)。智能发射器将传感器信号和存储发射器信息的存储器与微型计算机的双向通信技术结合起来。通过一个额外的A/D转换器，系统可以产生电流环路条件下的数据，从而可以通过µC进行调整和校准。

Maxim的新型低功耗低压D/A转换器满足数字可调4-20mA电流环的两个要求:3V/5V供电电压能力，以及能够控制外部MOSFET栅极电压的内部放大器。这种配置的唯一缺点是需要驱动外部n沟道MOSFET，这需要更高的电源电压。如果板载上没有提供，则必须通过外部电源升压电路实现该电压。

幸运的是，大多数工业控制应用都提供高电压和低电压，以支持3V/5V可编程逻辑控制以及需要高达36V(典型24V)电压的传感器(压电，压力，温度和流量)。随着元件供应商适应行业对低功耗的需求，使用共阈值mosfet(由单个+5V电源控制)正在迅速兴起。

通过将运算放大器和MOSFET与表1中的一个D/ a转换器相结合，可以创建可靠的数字可调4-20mA电流环。大多数这些D/A转换器具有施密特触发输入，这使得在隔离系统中的光耦合器具有直接接口。

图3所示的13位低功率电压输出D/A转换器包括可以直接驱动外部MOSFET的精密输出放大器。您还可以使用外部运放绕过此内部放大器。SPI ，QSPI 和Microwire 兼容性简化了转换器的数据接口，使其适合与工业控制应用中的大多数处理器和控制器一起使用。

在长距离信号传输过程中，转换器的力和感测引脚(OUT和FB)立即补偿接收器的误差电压。这些连接到内部，用户可编程的输出放大器也可以让您配置一个简化的电流环路(图4)。

外部MOSFET(表2)用50欧姆电阻决定的电流驱动环路:

I(out) = (v (ref)/ r (sense))(d (in)/2(n))

DAC的分辨率为N，其输入码的十进制当量为D(IN)，表示传感器经过微机处理后的数字化输出。串行，3V/5V MAX535 / MAX5351转换器的分辨率为13位，产生2(N) = 2(13) = 8192的满量程范围。对于1.2V基准，50欧姆电流检测电阻，满量程DAC输出D(IN) = 8192，输出电流为I(OUT) = V(REF)/R(SENSE) = 1.2V/50欧姆 = 24mA。

MAX6120 / MAX6520参考电路典型输出为1.200V，非常适合这些应用。MAX6120的精度为100ppm/°C (30ppm典型)，高精度MAX6520的精度为50ppm/°C (25ppm典型)。图3和图4中的小封装(MAX535/MAX5351的µMAX和MAX6120/MAX6520的SOT23)支持空间关键型应用。一些工业控制电流回路具有60欧姆感测电阻，允许最大回路电流仅为20mA。这还不够，因为大多数环路必须能够提供10%的超量程(即在这种情况下，20mA + 2mA = 22mA)。将参考电压稍高一点(1.44V)可以解决这个问题。

通过电机模块监测峰值电流

工业环境中常见的另一个应用是同步/异步电机和伺服电机的数字控制。图5中的电路检测电机块中的过大电流(即，电机电流超过可调阈值)，并显示该值或将其反馈给控制器或嵌入式处理器用于调节电流环路。为了获得最大的灵活性，系统应该允许您在任何时间将该阈值设置为允许范围内的任何级别。

IC4是一个高侧电流检测放大器，其电流源输出(OUT)提供的电流等于流过其RG1/RG2端子的被监测电流的1/1000。输出电流产生与电机电流成比例的R(OUT)电压，比较器(IC3)将该电机电流信号与DAC设置的阈值电压进行比较。DAC输出表示的跳闸阈值可以通过用户界面编程，从另一个系统传输，或存储在外部存储器中。作为另一种选择，外部A/D转换器可以使该阈值依赖于其他条件或参数。

10位串行输入DAC的可变增益输出级可以配置为各种应用，类似于图5所示的单极情况。为了适应双极信号，输出级的可访问反相输入可以让您形成反相或非反相放大器与增益。

经过µP处理后，数字数据通过3线接口作为单个16位字或两个8位字(3个控制位和10+3个数据位)馈送到DAC。DAC的双缓冲输入级使其能够加载新数据，而不会干扰DAC寄存器中的“旧”数据。DAC的输出电压摆幅由输出增益和外部参考电压决定。例如，增益2和2.5V, 50ppm/°C的MAX6125产生0V至5V的输出摆幅。为了获得更高的精度和更低的噪声，请选择MAX6325，其输出噪声为1.5 μ Vp-p，温度系数为1ppm/°C至2.5ppm/°C。

因此，比较器输出保持高电平，直到电机电流超过ac输出阈值;然后它提供一个低到高的转换到µP。大部分电机电流被分流电阻分流，导致比较器反相输入处电机电流信号的表达式如下:

V(输出)= (r(分流)* r(输出)* i(电机))/ r (g)

在哪里
V(OUT)为MAX4172输出电压，
R(分流)是电流检测电阻，
R(OUT)为电压设定电阻;
I(MOTOR)为满量程感应电机电流，且
R(G) = RG1 = RG2为增益设定电阻。

Maxim目前正在开发的产品包括具有内部参考的13位dac和具有更高精度的14位dac。代表传感器和单片机之间调节和数字化功能的产品也在开发中。例如，一种新的16位过采样a /D转换器(MAX1400，来自Maxim的新低功耗16位得尔塔-西格马转换器家族)旨在满足数字化传感器数据的行业需求。

(1)电阻式温度检测器(RTD)是一种电阻式温度传感器，其随温度的变化在273K(0℃)范围内几乎呈线性变化。例如，PT100是用铂制造的RTD家族的成员。PT为正温度系数，数字为常温下的标称值，单位为欧姆。100欧姆 RTD值是最常见的，但也有其他可用值。