吳迪等

摘 要： 巨磁電阻（GMR）傳感器具有靈敏度高、線(xiàn)性度好、磁滯小等優(yōu)異的性能，在工業(yè)控制等方面應(yīng)用廣泛。在涉及信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)膽?yīng)用中，電壓信號(hào)容易受線(xiàn)阻影響而衰減，因此通常采用電流環(huán)路傳遞信號(hào)?；贕MR傳感器，設(shè)計(jì)了一套4～20 mA兩線(xiàn)制電流環(huán)系統(tǒng)，其中包括調(diào)理電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、I/V轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益可調(diào)，靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在400 kHz 的頻率下正常工作，滿(mǎn)足惡劣環(huán)境下應(yīng)用的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： GMR傳感器； 運(yùn)算放大器； 電流環(huán)； 工業(yè)控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）08?0159?04

0 引 言

由于巨磁電阻（GMR）傳感器靈敏度很高、體積很小、非線(xiàn)性度也很低，所以很適合用于檢測(cè)工業(yè)中的一些磁場(chǎng)變化，而這些磁場(chǎng)變化量要轉(zhuǎn)換成模擬量電壓信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)百米之外的控制室或顯示設(shè)備上。電壓信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸中很容易受到外界干擾和傳輸線(xiàn)分布電阻的影響，從而使得電壓信號(hào)產(chǎn)生失真。而電流信號(hào)基本不受這些因素的影響，因此通常將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)進(jìn)行傳輸。根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，一般采用4～20 mA的電流量來(lái)傳輸信號(hào)[1?3]。本文基于GMR傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)4～20 mA兩線(xiàn)制收發(fā)系統(tǒng)，包括檢測(cè)端電流變送芯片和接收控制端的I/V轉(zhuǎn)換芯片，將GMR傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，通過(guò)數(shù)百米的傳輸，再將4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為上位機(jī)系統(tǒng)容易處理的電壓信號(hào)。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的基于GMR傳感器的4～20 mA兩線(xiàn)電流環(huán)路系統(tǒng)包括檢測(cè)端電流變送芯片和接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片。其中，檢測(cè)端電流變送芯片由調(diào)理電路和V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，接收端電流電壓轉(zhuǎn)換芯片由I/V轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖1所示。

本文分別對(duì)此三個(gè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。將分別對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 GMR傳感器模型

GMR傳感器是四個(gè)巨磁電阻組成的惠斯通橋構(gòu)成[4]，如圖2（a）所示。其中，兩個(gè)被屏蔽的巨磁電阻R1和R2不會(huì)受到外部磁場(chǎng)的影響，而未被屏蔽的巨磁電阻R3和R4會(huì)在外部磁場(chǎng)變化時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的阻值變化，從而將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)，并通過(guò)out1和out2端輸出。為了使仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立了一個(gè)GMR傳感器模型，如圖2（b）所示。該模型采用兩個(gè)受控電壓源U1和U2來(lái)模擬磁場(chǎng)變化所引起的巨磁電阻R3和R4上的分壓變化，并用兩個(gè)理想的電阻來(lái)模擬被屏蔽的巨磁電阻R1和R2。

1.2 調(diào)理電路

惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的GMR傳感器存在較強(qiáng)的共模信號(hào)，且對(duì)輸入阻抗有較高的需求。為了滿(mǎn)足以上需求，并將信號(hào)放大到V/I轉(zhuǎn)換電路所能處理的電壓幅度范圍，本文選擇了具有共模抑制比高、線(xiàn)性誤差低、輸入阻抗高等特點(diǎn)的三運(yùn)放儀表放大器作為調(diào)理電路的主體結(jié)構(gòu)[5?9]。并且，儀表放大器所具備的增益可調(diào)的功能，可以使本系統(tǒng)具有更強(qiáng)的兼容性和適應(yīng)性。

1.3 電壓轉(zhuǎn)電流電路

由于工業(yè)控制環(huán)境往往非常復(fù)雜，存在著各種各樣的電氣設(shè)備和電磁信號(hào)，因此在長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸過(guò)程中，電壓信號(hào)會(huì)受外界干擾以及傳輸線(xiàn)路上電壓降的影響而失真。使用電流信號(hào)傳輸模式可以有效地抑制這些干擾。本文設(shè)計(jì)的電壓轉(zhuǎn)電流電路，如圖3所示，可以將GMR傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的模擬電流信號(hào)，進(jìn)行無(wú)衰減傳輸。其中，虛線(xiàn)框中為電壓轉(zhuǎn)電流電路，Rline為傳輸線(xiàn)的線(xiàn)阻，標(biāo)準(zhǔn)雙絞線(xiàn)電阻為7 Ω/100 m，本設(shè)計(jì)針對(duì)500 m的長(zhǎng)距離傳輸設(shè)定Rline=35 Ω。

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓為12～36 V，本文為了降低功耗，通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓電源[10]將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)+5 V的直流電壓，運(yùn)放AB和A1以及1.2節(jié)所述的儀表運(yùn)算放大器均在此電源電壓下工作。

圖3中，Vi接受前級(jí)儀表運(yùn)算放大器輸出端的信號(hào)。儀表運(yùn)放根據(jù)GMR傳感器的輸出幅度通過(guò)調(diào)節(jié)增益，將輸出信號(hào)范圍調(diào)理到0.8～4 V。其中運(yùn)放AB作為緩沖級(jí)，其輸出信號(hào)范圍也為0.8～4 V。運(yùn)放A1，電阻R1～R3以及Q2和Q3組成的達(dá)林頓管共同將0.8～4 V電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流。運(yùn)放A1的反相輸入端接地，從而使其正相輸入端虛地，將電阻R1設(shè)定為20 kΩ，則可將流過(guò)R1的電流限制為40～200 μA，R1與R2串聯(lián)，流過(guò)R2的電流也為40～200 μA。由于運(yùn)放A1輸入端的虛地作用，R2和R3可以等效看作是并聯(lián)，則Io與輸入信號(hào)之間的關(guān)系如式（1）所示：

[Io=ViR1R2+R3R3] （1）

通過(guò)將R2和R3電阻的比值設(shè)定為1∶99，則IO為流過(guò)R1電流的100倍，即可得到4～20 mA的電流。由于出于低功耗的考慮，運(yùn)放驅(qū)動(dòng)能力較低，該電流由一組達(dá)林頓管提供。該模塊中的運(yùn)放AB和A1均為兩級(jí)運(yùn)放。作為緩沖級(jí)的單位增益運(yùn)放AB需要能夠輸出40～200 μA的電流，或者能夠承受20 kΩ的負(fù)載，通過(guò)合理設(shè)定AB的中各個(gè)管子的寬長(zhǎng)比，使其性能達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求。

1.4 電流轉(zhuǎn)電壓電路

在接收端，本設(shè)計(jì)通過(guò)提取R0兩端的電位，進(jìn)行差分比較得到兩端的電位差，從而將電流環(huán)路中的4～20 mA電流信號(hào)還原成電壓信號(hào)[11]，如圖4所示。

本電路即為差分放大電路，輸入與輸出信號(hào)的關(guān)系如式（2）所示：

[Vo=R3+R4R3R2R1+R2Vi2-R4R3+R4Vi1] （2）

令R1=R3，R2=R4，式（2）可以簡(jiǎn)化為：

[Vo=-R2R1Vi1-Vi2] （3）

通過(guò)設(shè)置圖3中的R0可以得到一個(gè)合理的電壓差，即Vi2-Vi2，再通過(guò)應(yīng)用要求，調(diào)節(jié)圖4中的R1和R2，進(jìn)而將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

2 電路仿真結(jié)果及分析

穩(wěn)壓電路將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為5 V低電壓，本設(shè)計(jì)的三個(gè)主要模塊電路均是在此5 V電壓下工作。對(duì)于電壓轉(zhuǎn)電流電路，根據(jù)1.2節(jié)所述，設(shè)定R1=20 kΩ，R2=2.475 kΩ，R3=25 Ω，通過(guò)直流掃描，所得輸入/輸出關(guān)系如圖5所示。由圖可見(jiàn)，電流電壓增益為50 mA/V，通過(guò)提取本仿真結(jié)果曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，分析可得，此電壓轉(zhuǎn)電流電路模塊的非線(xiàn)性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%。

而對(duì)于接收模塊電流轉(zhuǎn)電壓電路，通過(guò)在電流環(huán)中插入一個(gè)100 Ω的電阻，提取兩端電壓做減法即可恢復(fù)電壓信號(hào)，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見(jiàn)，GMR傳感器所感應(yīng)到的磁場(chǎng)信號(hào)，在轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)以后，通過(guò)電壓?電流、電流?電壓轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)距離傳輸，基本無(wú)干擾的傳到了接收端。

至此，整體電路的瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示，仿真頻率為100 kHz，其中圖7（a） GMR傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)為差分信號(hào)，圖7（b）為轉(zhuǎn)換成的環(huán)路4～20 mA電流，圖7（c）為接收端轉(zhuǎn)換成0.8～4 V的輸出電壓。通過(guò)小信號(hào)仿真，本設(shè)計(jì)可在400 kHz的頻率下正常工作，整體電路符合設(shè)計(jì)要求。

3 版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)版圖設(shè)計(jì)的基本原則及設(shè)計(jì)規(guī)則，本文完成了整個(gè)系統(tǒng)的版圖設(shè)計(jì)工作。檢測(cè)端版圖和接收端版圖分別如圖8和圖9所示。

4 流片測(cè)試

本系統(tǒng)中進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換的低壓核心部分進(jìn)行了MPW流片，電源管理電路采用外接方式實(shí)現(xiàn)。樣片采用COB封裝并進(jìn)行測(cè)試，圖10所示為封裝后樣片實(shí)物圖。

對(duì)該芯片進(jìn)行擺率測(cè)試。示波器中測(cè)得的結(jié)果如圖11所示。在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為1 V的方波信號(hào)的情況下，從示波器中讀出上升沿延時(shí)為6 μs，下降沿延時(shí)為30 μs。其電壓峰峰值為1.78 V，因此其對(duì)應(yīng)的環(huán)路電流的峰峰值為16.03 mA。計(jì)算可得本模塊電路的上擺率為2.67 mA/μs，下擺率為0.534 mA/μs。

對(duì)該芯片進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試。示波器中測(cè)得的結(jié)果如圖12所示。

在輸入頻率為1 kHz、峰峰值為3.2 V的正弦信號(hào)的情況下，輸出也為正弦電壓波形，波谷電壓為0.44 V，波峰電壓為2.27 V。檢測(cè)電阻阻值為111.04 Ω，因此波谷電流3.962 5 mA，波峰電流20.443 1 mA。計(jì)算可得該電路的電流增益為103，基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的4～20 mA兩線(xiàn)變送器芯片其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益可調(diào)節(jié)，靈敏度高以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。解決了信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中，電壓信號(hào)很容易受到干擾的問(wèn)題。通過(guò)提取直流掃描仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，并計(jì)算可得到V/I轉(zhuǎn)換電路的非線(xiàn)性度為0.003%，幅度失調(diào)為0.037 5%；在頻率為400 kHz的瞬態(tài)仿真下，V/I轉(zhuǎn)換電路的幅度失調(diào)為0.04%。

本系統(tǒng)的V/I轉(zhuǎn)換核心電路進(jìn)行了MPW流片，并采用COB封裝進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本相符，可以在長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸中進(jìn)行基本無(wú)失真的信號(hào)傳輸。

參考文獻(xiàn)

[1] 鮑康貴，秦會(huì)斌.兩線(xiàn)制4～20 mA液壓變送器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2011，28（10）：1234?1236.

[2] 王正德，趙菲菲.工業(yè)用4～20 mA兩線(xiàn)制變送器的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2009（11）：75?77.

[3] 李迎.智能二線(xiàn)制溫度變送器的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2004，23（6）：67?70.

[4] QIAN Zheng?hong， WANG De?xin. Linear SPIN?VALVE BRIDGE SENSING DEvices [J]. IEEE Transaction on Magn， 2004， 40： 2643?2645.

[5] 王瓊.高增益0.6 μm CMOS運(yùn)算放大器[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（6）：27?30.

[6] RAZAVI B.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，陳軍，張瑞智，等譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[7] ALLEN P E， HOLBERG D R. CMOS 模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8] 裴松.一種高共模抑制比儀用放大電路的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2008（8）：62?64.

[9] 紀(jì)宗南.儀表放大器及其應(yīng)用（一）[J].電子設(shè)計(jì)工程，1998（3）：39?42.

[10] LEUNG K N， MOK P K T. 2003. A capacitor?free CMOS low?dropout regulator with damping factor control frequency [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1980， 37（10）： 1691?1701.

[11] 龔福民.電流環(huán)接收器RCV 420及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2000（2）：22?24.