HY11P23二线式仪用表头应用说明

　　1 简介

　　工业应用上普遍需要测量一些非电的物理量信号，如温度、压力、速度、角度等等。 这些非物理量的信号会透过传感器转换成电物理量的信号，如电流、电压、功率、频率等。而这些量化信号些需再转换成标准数字通讯讯号或是模拟电信号才能传输至几十米甚至几百米外的监控中心或仪表上。

　　这类将物理量信号转换成模拟电信号的装置称为传送器，在工业上，广泛采用的标准模拟传输电信号是分别为0-5V、0-10V 或4-20mA，而其中以4-20mA 最为常见。在此，本文将介绍利用由HYCON 所设计的HY11P23 芯片能轻易的达到电路设计简单、消耗电流低于0.8mA 且造成的回路压降小于的优势，以实现最具成本竞争力、低消耗电流与低回路压降的两线式4-20mA 电流量测芯片与显示控制设计的解决方案介绍.。

　　该应用通过HY11P23芯片对二线式4-20mA传送器的电流信号进行量测与数码显示。在信号量测方面利用芯片内部ADC Gain 进行放大与18bit的ADC进行数据采集。在数码显示方面HYCON系类芯片本身低功耗的特性从而可以解决数码管显示的耗电流的问题。利用HYCON系类芯片进行设计使整个电路的外围非常简洁，在仪用表头的应用方面整体的性价比及可靠性都非常高。

　　2 原理说明

　　2.1 系统架构与类别

　　采用4-20mA 传送信号的原因是其不容易受干扰、电流源的并联内阻无限大且导线串联电阻在回路中不影响信号的精度，故在普通双绞信号在线可以传输数十米。电流信号处于正常操作时不会低于4mA，此设计规范主要是为了能检测出传输线的断线状态。

　　因为当回路因故障而断路时环路电流会降至0mA，故常以1.5mA 的电流作为断线警报值;而信号最大为20mA 则是因为工业安全上的防爆要求，因为20mA 的电流回路断线后产生的火花能量不足以引燃气体燃料(瓦斯)。

　　由于电流输出型的传送器需将物理量转换成4-20mA 的电流信号输出，必然需要额外提供外部电源。依其架构可区分为如图1所示：

　　图1 传送器系统架构图

　　四线式传送器：

　　常见的传送器设计，需要外接两条电源线及两条信号线。

　　三线式传送器：

　　此传送器是利用信号线与电源线共享一条线的设计，以减少一条线。

　　两线式传送器：

　　利用4-20mA 电流回路即可以供给传送器电源的设计，使传送器在电流回路中可视为一个特别的负载，其耗电电流控制在4~20mA 之间，且根据传感器的输出大小而变化，因此使得显示仪表只需要透过两条线串在回路中即可。(工业制订的电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内传送器至少有4mA 的电流供给，故使得两线制传感器的设计成为可能)工业应用领域里，测量点一般在俗称的现场，而其距离监控中心或仪表控制器之间可能数十至数百米远。若能简单的使用两条线作为信号传输，在成本上绝对有竞争优势且四线制传送器和三线制传送器常因导线内电流不对称，而必须使用昂贵的屏蔽线，而两线制传送器可使用非常便宜的双绞线导线，因此在应用中两线制传送器必然是首选。

　　在两线式为常首选的情况下，其4-20mA 信号测量表头加入系统回路后既不能影响信号传输的电流大小且造成的环路压降必须越小越好，更好的是电路设计简单。故在芯片的选择时常常难以两全，而HYCON 所设计的HY11P23 芯片能轻易的达到电路设计简单、消耗电流低于0.8mA 且造成的回路压降也比较小。

　　2.2 测量方式的比较

　　目前常见的两线式4-20mA 电流信号测量与控制的仪表其电路组成可分为四部分：第一部分为利用TL431 在回路电流里取出仪表芯片所需的工作电压;第二部分为利用OPAMP 放大器将模拟电流信号转成模拟电压信号;第三部分则为利用具模拟数字转换测量芯片将模拟电压信号转为数字信号;第四部分为把数值显示于显示器上或依信号大小进行其它控制事件。

　　图2.常见的LCD仪表显示控制器

　　图2 为常见的LCD 显示型仪表控制器的电路示意图，无论OPAMP 是否内建其电路受温度、零点偏移的影响是非常难以避免，且VDD 造成的环路压降通常大于4.3V 而消耗电流则介于1.5mA～3mA,这样回路中的电流为4mA时很难推动LED进行显示。为了要解决上述问题只能多加些成本让电路复杂、多颗低温飘系数电阻，但往往如此做了却发现所设计出的产品跟目前市面上流通的成品其成本不相上下故难具竞争力。

　　图3.HYCON LED仪表显示控制器

　　图3 为利用HYCON 所设计的产品规划成LED 显示型仪表控制器的电路示意图，由于其电路架构不使用OPAMP 进行电流电压转换故不会像 图2 OPAMP 的电路受温度、零点偏移的影响且该芯片低工作电压与低功耗特色，其VDD 对环路电压造成的压降小，而消耗电流低于0.8mA，在输入4mA的回路中也可以满足LED显示耗电流的问题。使用HY11P23 芯片设计的产品，电路架构简单。

　　现量测电路可以分三个部分：第一部分是利用GS431WF取出芯片所需的工作电压;第二部分是利用HY11P23芯片把4-20mA的模拟量转成数字量;第三部分是数码管的显示。

　　2.3 测量规格分析

　　2.3.1显示数值分析

　　以9999d 显示仪表为例，满量程的电流变化为16mA。即每个1d 的电流变化约1.6uA/d，而流经RSN 电阻后等效每个1d 电压变化约为3.2uV/d。故适合测量此规格的芯片至少须能解析到1.6uV 电压的变化，若考虑产品具有良好的精确度则该芯片必须能解析至1.0uV 以下的信号，如 表一 仪表显示器规格分析。

　　表一 仪表显示器规格分析

　　再来，温度对系统造成的影响是一定会存在，以100ppm/℃测量规格而言若不考虑4-20mA电流信号本身受温度的影响，则在测量系统里属芯片的量测单元(ADC,数字模拟转换器)受温度影响而造成的数值飘移为最重要，故挑选低温飘系数的测量芯片可省下后段花在系统作温度补偿调整的时间。

　　最后，考虑对回路所造成的压降一直是二线式仪表存在的问题。一般回路电压会设计在24V，此回路电压必须供给传送器然后再分别提供串接至系统的仪表，回路压降低能串接的设备就多，故考虑低回路压降是有其必要性。

　　2.4 量测原理

　　整个系统的电源部分是通过GS431WF稳出工作电压3.0V提供给芯片HY11P23工作。由于回路最小的电流只有4mA，为了满足LED显示亮度的要求及GS431WF稳出的芯片工作电压不会随回路电流的变化产生变化。译码器的工作电压与LED的驱动电压需控制在1.85V左右，且LED耗电流在大约2.2mA左右，才可以满足LED显示的亮度及亮度一致性的要求，并且回路在4-20mA的输入信号下都可以稳定在3.0V。如果LED部分耗电流超过3.0mA会导致GS431WF稳出的电压会随回路的电流的不同发生变化，这也和GS431WF的特性有关。

　　LED驱动与译码器的工作电压是在3.0V的基础上通过另外一颗TLV431(1.246V)稳出1.8V的电压，通过这样的方式可以使显示部分工作在1.8V。在数码显示控制方面主要是HY11P23芯片利用I/O port通过译码器对四个数码管的Com端子进行控制从而能满足LED显示扫面方式与耗电流的要求。另外在显示亮度的比较下，数码管一个段比一个字的控制到达的显示亮度会更好点。通过这样的LED扫描控制方式可以节省I/O的资源，对解决耗电流也起到一定的功效。但是整个程式的执行效率就会比较低。　

　　图4 信号量测

　　基于满足以上要求，由纮康公司所开发出的产品HY11P23 芯片可轻易地解决测量问题。测量架构如 图4 所示，通常模拟数字转换器具有信号输入端(SI+,SI-)与参考电压端(VR+,VR-)而SD18(ADC,模拟数字转换器)可测量的信号范围为VDD+0.2V 至VSS-0.2V，参考电压输入则由本身所具有的低温飘参考电压源REFO 输入即可。如此，即达到测量温度系数约在100ppm/℃的效能也可省去选择低温飘电阻的麻烦，亦可减少电路受到干扰与增加电流消耗(若系统需要更好的温度系数规格则可考虑SD18 参考电压输入采用外部输入式)。

　　2.5 控制芯片

　          8位加强型精简指令集, 共有69 个指令包含硬件乘法指令及查表指令。

　　      2.0V to 3.6V 工作电压范围，-40℃~85℃工作温度范围。

　         外部石英震荡器及内部高精度RC 震荡器，6 种CPU 工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。

　              　a. 运行模式 300uA@2MHz;

　                  b. 待机模式 3uA@32KHz;

　　              c. 休眠模式 1uA;

　　  4KWord OTP (One Time Programmable) Type 程序内存，256Byte 数据存储器。

　      Brownout and Watch dog Timer，可防止CPU 进入死机模式。

　　   18bit 全差动输入ΣΔADC 模拟数字转换器。

　　         a. 内置 PGA (Programmable Gain Amplifier) 及可有1/4 ,1/2, 1～128 倍10 种输入信号放大倍率选择;

　              b. 内置输入零点调整, 可针对不同应用增加其量测范围;

　              c. 内置高阻抗输入缓冲器(32 以上输入倍率不适用);

　               d. 内置绝对温度传感器;

　    超低输入噪声(<1uVpp)运算放大器, 可提供高输出阻抗小讯号的放大及小电流的电压转换。

　    1.2V 低温飘系数参考电压源输出，具有Push-Pull 驱动能力，可提供传感器驱动电压。

        10mA 低压差稳压电源输出。

　      16 bits Timer B 模块具Capture/Compare 功能。

　　  串行通讯SPI 模块。

　　3 技术规格

　　      电源接点：二线制电流环取电(4-20mA 电流输入)

　　      电流环路压降：< 3.6V

　　      晶片功耗：< 0.8mA;

　          温度飘移：< 120ppm/℃;

　          数据显示：4 位LED 显示;

　          数据更新率：4/sec;

　　      分辨率：0.016mA;

　      　显示值：0～99.9;

　    　  适用范围：压力，温度，流量，PH计等各种传送器;

　　       工作温度：-40℃ ～ +85℃;

　　       存贮温度：-55℃ ～ +125℃;

　           相对湿度：<95%(20±5℃条件)无结露具有防反接保护，24V 过电压过电流保护;

　　4 结论

　   此应用解决方案是采用HY11P23 芯片以简单的电路架构实现4-20mA 两线制无给电测量仪表头，该方案具有以下特色：

　  电路简单并具有高分辨率和低温飘系数。

      低环路电压降与低电流消耗特色。

　   I/O 具±10mA 负载能力，可以直接推动LED显示。

　　信号取样率高达250KHz，数据更新率可依实际需求进行调整。

　　HY11P23 是一款非常适合应用于电流或电压信号且性价比高的测量芯片，在此分享予各位先进。