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Carine Alberti, Product Marketing Engineer, Precision Systems – TI
传感器数据发送器常在加工工业中帮助人们控制温度、压力和流量等参数。例如，我们可以在食品饮料、制药和环境控制过程中看到的温度数据发送器 (TT)。在化学工业中，温度数据发送器用于确保化学反应器中的溶液保持在某个恒定温度。
传感器数据发送器的基本功能有 3 个：读取传感器数据；隔离传感器与中央控制器；沿 4-20 mA 环路发送代表测得数量的电流。开发传感器数据发送器应用的工程师们都面临一个问题：设计时间旷日持久。设计期间，工程师们必须为每种传感器进行专门的配置并开发一些特殊的功能。
温度数据发送器基础知识
图 1 显示了一款典型的温度传感器数据发送器结构图。它读取温度敏感组件（例如：热电偶等）采集的数据，然后通过一条较长的线缆将这一信息发送出去。
我们可以将各种温度传感器连接至发送器的模拟前端 (AFE)，用于处理传感器信号的采集和调节。信息被传送至一个微控制单元进行信号处理，最后再以电流的形式通过隔离层沿环路向下发送。温度传感器数据发送器由该环路本身供电；因此，在达到最高准确度的同时最小化功耗至关重要。
温度传感应用
我们使用各种传感器监测温度；例如，电阻式温度检测器 (RTD) 和热电偶。
RTD 的电阻随温度而变化，这些传感器所使用的最常见材料是铂。RTD 在某个阻抗范围有效；三种常见工业标准是 Pt100 (100O)、Pt500 (500O) 和 Pt1000 (1000O)，RTD 常用于 -200 和800°C 之间的应用中。
热电偶由两种缚在一起的不同金属制成。在一定温度下，金属结点处产生电压。我们把这种结电压同一个被称为冷接点的基准电压进行比较。所有热电偶都要求在某个已知温度下维持冷接点基准电压。冷接点传感器对冷接点温度进行监测。利用一个模拟温度传感器（如：LM94022），便可以完成这项任务。利用热电偶电压和冷接点电压的差，便可计算出热电偶接点的温度。在一些类似的应用中，热电偶同 RTD 的使用差不多，但精度不同。然而，它们却更加牢靠，并且能够处理 -270 到 2300°C 的温度范围。
图 2 中，LMP90080 在传感器和微控制器之间提供一条完整的信号通路。它特有一个灵活的输入多路复用器，让所有输入引脚都能连接至任何 a/d 转换器输入，从而使其能够通过接口连接至众多传感器，包括：热电偶；二、三和四线RTD；热敏电阻器。传感器 AFE 拥有两个可编程匹配电流源，其能够以 100µA 步进值调节至 1mA 最大值。这样便可支持电阻式传感器，例如：RTD 等。增益可以二进制调节（从 1到128），并且设计人员能够利用单个周期调节选择输出数据速率（位于 1.6775 和 214.65 采样/s之间的 8 个值），从而让其能够连接至各种传感器。
LMP90080 是引脚到引脚兼容系列产品的一员。它允许设计人员使用相同的布局，通过选择不同的特性来对设计进行优化，例如：分辨率、差分通道和集成电流源等。其它特性还包括连续背景校正和诊断。
连续背景校正对 a/d 转换器的增益和偏移误差进行补偿，在实际上消除了随时间和温度变化产生的漂移。校正在不出现任何转换中断的情况下，在背景下完成。这样便提高了最终产品在寿命期间的性能，并帮助缩短了现场校正相关的停机时间。
传感器诊断也在背景下完成，并且不会影响信号通路性能，从而实现对传感器短路、开路和范围外信号的检测。LMP90080 还拥有一个健壮的串行外围接口 (api)，可实现循环冗余检验，以确保数据传输完整性。
这些产品均由 Webench 传感器AFE设计工具提供支持，其可对某个传感器模拟信号通路解决方案的设计性能进行评估和优化。它允许导出 AFE 配置，用于微控制器代码。另外，评估系统允许设计人员连接传感器、修改设计、为传感器 AFE IC 加载配置数据以及对完整的解决方案进行评估。
4 到 20Ma 电流环路是一种工业标准，用于远距离模拟测量数据传输。这种环路中，两个线换能器使用电流表示测得值。电路环路传输常用于工业中，因为它拥有较强的抗干扰能力，并且较为适合于远距离传输。另外，它的成本较低，并可用于存在爆炸隐患的一些区域。
DAC161P997（请参见图 3）通过将所有精密组件都集成到一块芯片上，简化了电流环路设计。只需要少数几个外部组件，便可以实现一种低功耗、高精度的工业用 4 到 20Ma 传感器数据发送器。
DAC161P997 独有一个单线接口，它是一种健壮的数字数据传输解决方案。相比 spi 接口的解决方案，它可以轻松地实现电隔离。数字数据模式支持在没有数据丢失（一种可影响脉宽调制方案的问题）的情况下实现数据传输。
器件“OUT”引脚提供的输出电流表示为：
Iloop = DACCODE/2^16) / 24mA
有效的 DACCODE 范围为全 16 位编码间隔（0x0000 到 0xFFFF）。
如图 3 所示，因为过高的环路电源电压 DAC161P997 无法直接连接至典型的 4-20 mA 环路。环路电源电压不得不逐步降低至 3.3V。使用一个超低静态电流线性稳压器（例如：LM2936）或者低功耗开关式稳压器（例如：LM2840），便可以达到上述目标。设计人员应记住，稳压器的静态电流会对最小可达环路电流产生直接的影响。
由于温度传感器数据发送器由环路本身供电，因此各种组件的电流消耗均应尽可能地低，以符合系统的 3.5mA 功耗预算要求。DAC161P997 的电流消耗低于190µA，输出电流温度系数为 29ppm/°C，而长期输出电流漂移为 90ppm 满量程。
结论
诸如 LMP90xxx 和 DAC161P997 的集成解决方案可降低传感器和发送器集成的难度、减少组件数目并节省电路板空间。LMP90xxx 可以连接各种不同的传感器，包括温度、压力和其它电压输出检测器。这种器件由传感器 AFE 设计工具提供支持，其让广大工程师能够在线设计和评估其解决方案。
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