技术干货|基于数模混合型SoC实现的两线制高精度无源表头方案

摘要：

针对传统的两线制表头在高低温环境下测量精度差、温漂大的特点，现提出一种可满足高低温环境使用需求的两线制高精度数显表头设计方案，此方案在高低温环境下测量精度高、工作稳定、抗干扰能力强。

引言

随着仪表技术和低功耗技术的发展，两线制无源表的应用越来越广。两线制无源表头在不需要单独电源的情况下，直接串接在电流环路中，即可实现环路中电流值的测量与显示。电源与信号仅通过两条线提供，具有布线简单、可靠性高、无需考虑供电和隔离等特点。两线制无源表头实物图，如图1所示。

针对传统形式的两线制无源表头多采用单片机、高精度ADC、显示驱动等分立器件实现，存在功耗大、精度低、工作温度范围窄等缺点。本文将介绍一种基于数模混合型SoC实现的两线制高精度无源表头方案，所需外围电路少，能很好地控制温漂对测量精度的影响。

图1. 两线制无源表头实物图

系统工作原理

两线制无源表头通过电流环路取电，同时准确的测量环路电流值，并将测量结果通过算法转换成各种物理量，如图2所示。

根据无源表的工作原理，需要在原有的电流环路中串接一个取样电阻和稳压管，取样电阻用于检测环路电流值，稳压管产生表头系统的工作电源。无源表多用于变送器输出的电流环路信号测量，变送器通常使用24V供电，因此，无源表的环路阻抗和压降都有要求，且无源表正常工作时的功耗要小于3mA。

根据上面的要求，除要选择低功耗微控制器外，电流取样电阻要尽可能小（100R以下），才能保证无源表工作时不对原有的电流环路造成影响。

 

图2. 两线制无源表头工作原理图

硬件系统设计

通过分析无源表的需求，硬件系统需要包括CPU模块、显示模块、按键输入模块、测量模块、存储模块、电源模块。本文先后选取XX7420和晶华微的SD7501T4为核心进行分析，XX7420只能实现3-3/4的范围显示，且不支持物理单位的转换算法，测量精度只有0.5%，采用滑动变阻器对精度和偏置进行调整，难以保证表头长期工作的可靠性。而晶华微的SD7501T4相较于XX7420，能够更好地保证工业测量精度的精确性和可靠性。下文将重点分析以晶华微的SD7501T4为核心实现的两线制高精度无源表头方案。

SD7501T4提供了一种四位显示的两线制高精度无源表完整方案，支持LCD/LED两种显示方式，支持两路开关量输出，内置多种物理量转换算法、多点校准算法和温度补偿算法，可在-25℃～75℃的温度范围内实现0.1%以上的综合测量精度。SD7501T4方案使用5.1R电阻取样，对电流环路的阻抗影响较小，且支持待机与休眠模式，对功耗的控制更好。SD7501T4基于SD7501开发实现，内部集成了PGIA、24位Σ-△ADC、基准、DSP、eprom和显示驱动等关键电路，使用数模混合型SOC（SD7501）在较大限度的简化外围电路的同时，能够很好地保证模拟参数测量的精度和温漂特性。基于SD7501T4实现的无源表电路如图3所示。

图3. 基于SD7501T4实现的无源表电路图

软件系统设计

采用SD7501T4设计两线制高精度无源表不需要考虑软件，芯片内部已包含固件，除测量、显示外，还包括菜单编程、校准、温度补偿和报警输出功能，因此，只需要根据参考电路完成PCB设计，便可快速完成两线制表头产品。

结语

由SD7501T4设计的两线制高精度无源表头能够在-25℃～75℃环境中工作，由4～20mA的电流环供电，同时采集回路中电流并显示。由于其功耗低、工作温度范围宽、采集精度高和成本低等特点，因而有着较高的应用价值和经济价值。该表头已经经过严格的环境测试与精度测试，在60℃高温下连续工作72h，采集精度能达到±0.1%。具有运行稳定性强、采集数据精度高，硬件设计合理、结构简单，整机可靠性高等优势。