适合于4~20mA电流环的31/2LCD显示表

　　1　引言

　　4~20mA电流环作为一种工业标准信号,已经广泛地应用于变送器、比例调节阀等工业设备中。目前这些设备中,除了少量的设备,如部分基于HART协议的变送器和比例调节阀等带有变量显示外,其它众多的变送器和比例调节阀都因为系统成本或技术问题而没有显示功能。随着集成电路技术和工艺的不断提高,使系统成本越来越低;同时由于各个行业对系统设备的可靠性、安全性及易维护性提出了越来越高的要求,使得在4~20mA电流环内嵌入显示表成为必然趋势。它能够实时显示环路电流大小,或显示其对应的物理变量值,从而增加了系统监测变量的透明度,提高了系统的可观测性和可维护性。

　　就目前技术水平而言,无论是采用模拟电路,还是数字电路均能够实现该显示表所要求的功能。模拟方案可以采用低成本的、带3 1/2位LCD驱动的ADC,如Maxim公司的MAX138(其典型工作电流200μA、工作电压可低至+2.25V等特性尤其适合于这种应用),外接调零和满量程调节等少量电路,就可实现一个简单的3 1/2位LCD显示的仪表;而数字方案需要采用低电压、低功耗的微处理器,实现电流采样、零点和满度标定、测量值的线性化、LCD段码驱动以及显示参数的切换等更多功能。下面比较两种方案的优缺点:

　　1·1　测量和显示精度

　　当采用3 1/2LCD显示时,模拟和数字方案所能够达到的精度相同,但由于数字能够对信号进行数字处理,因而在相同条件下,能够实现更高的测量精度;

　　1·2　通用性

　　由于模拟电路对电流转换结果无法作进一步地计算,因而其显示结果只能通过调节满量程来对应,此时必须重新标定显示表;而数字方案则能够根据电流和物理变量之间的关系进行显示转换,用户只需变更存储器中的数据表格即可,无须重新标定,因而具有更好的通用性。

　　1·3　成本

　　数字方案的成本稍高于模拟方案,但其性能远远优于模拟方式。与数字方案相比,模拟方案除了成本相对低一些外,并没有太多的优点。从各个行业将来对系统设备的要求来看,数字方案将以其更高的性能价格比,得到广泛的应用。这里,我们结合4~20mA电流环的特点,提出了一种性能更高、成本更低的3 1/2 LCD显示表的设计方案。

　　2　功能描述及结构框图

　　工业标准的4~20mA电流环主要应用在变送器输出信号和比例调节阀的控制输入信号,采用标准的+24V供电,典型负载为250Ω.其典型的负载与电源电压关系曲线如图1所示,右半部分为允许的工作区间。由于数显表是直接串联在电流回路中,势必要减小回路电流的负载能力。为了尽可能地减小插入的电压降,同时也为了兼顾LCD段码液晶对工作电压的要求(普通LCD段码液晶要求电压高于+3V),数字电源采用+3.3V电压;同时采用低压差的肖特基二极管作为电路的极性保护(几十mA电流时,正向压降<0·3V),则整个在回路的电压降小于+3.6V.当采用+24V供电时,变送器典型的最大负载能力为600Ω,当串入该数显表后,其负载能力=600-3·6V/20mA=420(Ω),足够满足250Ω典型负载的要求。由图2可知,若接250Ω负载,则环路工作电源电压可低至20·6V.