4-20mA专用DAC接口芯片

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，它们都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。从芯片的角度讲，行业里非常需要能输出4-20mA信号的高集成度专用芯片，提高产品的性能，降低电路的研发调试和生产成本，将4-20mA的接口电路标准化。

为了方便地获取4-20mA信号，客益电子推出了系列的4-20mA DAC接口芯片，有不同的分辨率、数字接口、温飘系数、负载能力可供选择。

GP8301是将0-100%占空比的PWM输入信号，线性的转换成0-20mA/4-20mA模拟电流输出：

l 高精度：误差<0.1%，内置12bit DAC

l 低温漂：内置基准温度偏差小于25ppm/℃或者50ppm/℃

l 高集成度：内置基准、DAC、4-20mA接口电路，方案简洁，无需调试。

l 开路报警：输入空载的时候，通过Alarm信号对MCU进行报警。

l 易于隔离：只需要将前级PWM进行隔离，既可以实现信号隔离，易于实现。

GP8302、GP8303是I2C控制 0-20mA/4-20mA模拟电流输出：

l 高精度：误差<0.1%，内置12bit DAC

l 低温漂：内置基准温度偏差小于25ppm/℃或者50ppm/℃

l 高集成度：内置基准、DAC、4-20mA接口电路，方案简洁，无需调试。

l 开路报警：输入空载的时候，通过Alarm信号对MCU进行报警。

l 包含的I2C硬件地址A0A1A2，方便进行多通道4-20mA信号输出。

GP8102S、GP8112S是将0-100%占空比的PWM输入信号，线性的转换成0-20mA/4-20mA模拟电流输出

l 高精度：误差<0.1%，内置12bit DAC

l 低温漂：内置基准温度偏差小于25ppm/℃或者50ppm/℃

l 高集成度：内置基准、DAC、4-20mA接口电路，方案简洁，无需调试。

l 易于隔离：只需要将前级PWM进行隔离，既可以实现信号隔离，易于实现。

l 负载能力强：24V供电，可以支持900Ω负载电阻。

l GP8112S与GP8102S脚位兼容，为15bit DAC版本

GP8202S、GP8202AS、GP8212S是I2C控制 0-20mA/4-20mA模拟电流输出：

l 高精度：误差<0.1%，内置12bit DAC

l 低温漂：内置基准温度偏差小于25ppm/℃或者50ppm/℃

l 高集成度：内置基准、DAC、4-20mA接口电路，方案简洁，无需调试。

l 负载能力强：24V供电，可以支持900Ω负载电阻。

l GP8212S与GP8202S脚位兼容，为15bit DAC版本

l GP8202AS包含的I2C硬件地址A0A1A2，方便进行多通道4-20mA信号输出。

光电隔离的4-20mA输出电路以及设计要点

我们的一款控制器需要通过4-20mA的信号控制外部负载。

要求4-20mA的信号需要与控制器实现电气隔离；

输出电流数值的精度在全温度范围内需要达到5%的精度要求；

分辨率需要达到0.05mA；

经过一番考虑之后，我设计了以上的电路；

4-20mA输出电路

电路原理

单片机输出PWM信号通过光耦合之后，之后再经过R、Ｃ滤波网络滤成直流，

直流信号经过运放构成的电压跟随器进行阻抗变化之后，送到由电流环芯片XTR115；

XTR115

由其转成电流信号输出到负载；

假设单片机输出的PWM信号的频率为f，周期为T，占空比为α，

当R、C滤波网络的时间常数远大于PWM信号的周期T时(一般需要为周期T的10倍，

其滤得的直流信号幅度为VH*α。

根据XTR115的规格书，输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

几个设计要点

1) Ｎ沟通ＭＯS的可靠导通和截止

光耦6N135的参数如下：

最大正向导通电流：25mA；

正向导通电压：1.4V-1.75V；

电流传输比(正向电流为4mA)>=5%；　

将正向导通电流的最小值设置为4mA左右；　

根据IF=(V3.3V-VF)/R25=4mA，可以选择R25为300Ω；

当PWM输出低时，光耦最小导通电流为4mA；

最小输出电流为4mA*5%=0.2mA；

N沟通MOS的门-源级最小电压为0.2mA*R7；

为了让Ｎ沟通MOS AO3400的导通电压尽量小，这里选取GS的最小驱动电压为4.0V；

因此R7=4.0V/0.2mA＝20KΩ。

此时，AO3400的源、漏极的导通电阻最大为35mΩ；

2) 精度、分辨率以及其它

根据输出电流I=100*VH*α/(Rin+Rout)。

VH为XT115的参考电压2.5V，

当占空比为100%时，输出电流选为25mA。

算得Rin取值为10KΩ，精度选为1%；

为了达到0.05mA的分辨率，最小占空比为0.05/25=0.2％。

综合考虑电流输出的响应时间等，PWM的频率选为1KHz，脉宽的最小调节宽度为1us。

PWM的上升和下降沿必须要尽量陡峭，否则，上升、下降的延时时间受器件随机性以及环境影响比较大。

为了达到这一目的，选择开关频率达到1MHz的高速光耦6N135，而且合理选择光耦的负载电阻，避免由于其进入深入饱和，使得恢复时间变长而边沿不够陡峭。

当Q2截止时，参考电压Vref通过R6、R24向C53充电；充电时间常数为(R6+R24)*C53；　

当Q2导通时，C53通过R24以及Q2的导通电阻RDS(on)放电；

PWM滤波电路

PWM信号的周期的1ms，充放、电时间常数选择20ms；

因此，R6选为1KΩ、R24选为20KΩ，C53选为0.1uF；　

为了避免三极管的C、E的导通电压影响PWM转为直流电压的精度，将Q2选择为N沟通的场效应管；

2) 三极管Q1的功耗和温升

三极管Q1工作于放大状态；

假设工作电压为U，输出电流为I，负载电阻为R；

三极管Q1的功耗为P=(U-I*R)*I，当I=U/2/R时，功率最大；

但是实际上，电流最大范围为0mA-25mA。

最大功率为Pmax=U*U/4/R；

控制器承诺的工作范围为12V-24V；

当U=24V，负载电阻R为100Ω，电流为25mA时，功率最大Pmax=(24-2.5)*25mA＝537.5mW。

TO220封装的热阻约为θJA=54℃/W，最大温升为0.5375*54℃/W=29℃。

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