摘要：

針對傳統的兩線制表頭在高低溫環境下測量精度差、溫漂大的特點，現提出一種可滿足高低溫環境使用需求的兩線制高精度數顯表頭設計方案，此方案在高低溫環境下測量精度高、工作穩定、抗干擾能力強。

引言

針對傳統形式的兩線制無源表頭多采用單片機、高精度ADC、顯示驅動等分立器件實現，存在功耗大、精度低、工作溫度范圍窄等缺點。本文將介紹一種基于數模混合型SoC實現的兩線制高精度無源表頭方案，所需外圍電路少，能很好地控制溫漂對測量精度的影響。

圖1. 兩線制無源表頭實物圖

系統工作原理

兩線制無源表頭通過電流環路取電，同時準確的測量環路電流值，并將測量結果通過算法轉換成各種物理量，如圖2所示。

根據無源表的工作原理，需要在原有的電流環路中串接一個取樣電阻和穩壓管，取樣電阻用于檢測環路電流值，穩壓管產生表頭系統的工作電源。無源表多用于變送器輸出的電流環路信號測量，變送器通常使用24V供電，因此，無源表的環路阻抗和壓降都有要求，且無源表正常工作時的功耗要小于3mA。

根據上面的要求，除要選擇低功耗微控制器外，電流取樣電阻要盡可能小（100R以下），才能保證無源表工作時不對原有的電流環路造成影響。

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圖2. 兩線制無源表頭工作原理圖

硬件系統設計

通過分析無源表的需求，硬件系統需要包括CPU模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊、測量模塊、存儲模塊、電源模塊。本文先后選取XX7420和晶華微的SD7501T4為核心進行分析，XX7420只能實現3-3/4的范圍顯示，且不支持物理單位的轉換算法，測量精度只有0.5%，采用滑動變阻器對精度和偏置進行調整，難以保證表頭長期工作的可靠性。而晶華微的SD7501T4相較于XX7420，能夠更好地保證工業測量精度的精確性和可靠性。下文將重點分析以晶華微的SD7501T4為核心實現的兩線制高精度無源表頭方案。

SD7501T4提供了一種四位顯示的兩線制高精度無源表完整方案，支持LCD/LED兩種顯示方式，支持兩路開關量輸出，內置多種物理量轉換算法、多點校準算法和溫度補償算法，可在-25℃～75℃的溫度范圍內實現0.1%以上的綜合測量精度。SD7501T4方案使用5.1R電阻取樣，對電流環路的阻抗影響較小，且支持待機與休眠模式，對功耗的控制更好。SD7501T4基于SD7501開發實現，內部集成了PGIA、24位Σ-△ADC、基準、DSP、eprom和顯示驅動等關鍵電路，使用數模混合型SOC（SD7501）在較大限度的簡化外圍電路的同時，能夠很好地保證模擬參數測量的精度和溫漂特性。基于SD7501T4實現的無源表電路如圖3所示。

圖3. 基于SD7501T4實現的無源表電路圖

軟件系統設計

采用SD7501T4設計兩線制高精度無源表不需要考慮軟件，芯片內部已包含固件，除測量、顯示外，還包括菜單編程、校準、溫度補償和報警輸出功能，因此，只需要根據參考電路完成PCB設計，便可快速完成兩線制表頭產品。

結語

由SD7501T4設計的兩線制高精度無源表頭能夠在-25℃～75℃環境中工作，由4～20mA的電流環供電，同時采集回路中電流并顯示。由于其功耗低、工作溫度范圍寬、采集精度高和成本低等特點，因而有著較高的應用價值和經濟價值。該表頭已經經過嚴格的環境測試與精度測試，在60℃高溫下連續工作72h，采集精度能達到±0.1%。具有運行穩定性強、采集數據精度高，硬件設計合理、結構簡單，整機可靠性高等優勢。