感測發送器一般用於控制溫度、壓力及流量等參數的製程產業。舉例來說，溫度發送器 (Temperature Ttransmitor) 出現在食品飲料、藥物、廢水及環境控制程等許多不同應用中，。以化學工業為例，溫度發送器用於確保化學反應爐內部的溶液保持恆溫。
基本上，感測發送器有三種功能，收集感測資料、隔離感測器與中央控制器，及感測到的電流傳送到 4 至 20 mA 迴圈。感測發送器應用的開發人員時常需耗費長時間來設計感測器不同配置及功能。
本文將說明溫度發送器的基本原理，包括感測原理及 4 至 20mA 電流迴路傳輸，並將重點說明德州儀器的解決方案對這類設計所帶來的效益。
溫度發送器基本原理
圖1:溫度發送器配置圖
圖 1 顯示溫度發送器的一般配置圖。溫度發送器用於讀取溫度感測元件 (PT100、PT1000、熱電偶等) 的數據，並透過長纜線以 4 至 20mA 電流迴路傳輸資訊。不同的溫度感測器連接至 LMP90100。這個多通道積體電路 (IC) 是 24 位元感測器類比前端 (AFE)，能夠調節和接收感測器的訊號。訊號匯傳輸至微控制器進行訊號處理，然後轉換成電流下傳至迴路。溫度發送器是由迴路供電，因此可大幅降低耗電量，而不影響準確度。
溫度感測應用
有各種感測器可用來監控溫度，電阻式溫度計 (resistance temperature detectors; RTD) 及熱電偶便是其中幾例。RTD 的電阻會隨著溫度而變化。這些感測器最常以白金 (platinum; PT) 做為材料。RTD 可達到多種不同的阻抗，其中常用的三種產業標準是 PT100 (100Ω)、PT500 (500Ω) 及 PT1000 (1000Ω)。一般用於溫度介於 -200 至 800°C 之間的應用。
熱電偶是由兩個不同的金屬黏合而成。 在金屬接點會產生隨溫度變化的電壓。接點的電壓會與低溫接點的參考電壓相比較。所有的熱電偶都需要低溫接點參照。低溫接點的感測器可用於監控低溫接點溫度，只要透過如 LM94022的類比溫度感測器即可辦到。熱電偶接點的溫度是將熱電偶電壓及低溫接點電壓相加而得。熱電偶在 RTD 同類的應用中相當常見，但是準確度不如 RTD，不過相當耐用，並且能夠偵測較大範圍的溫度 (-270C 至 2300C)。
圖2：以LMP90100實作的溫度感測器訊號路徑
如圖 2 所示，LMP90100 提供感測器與微控制器之間完整的訊號路徑，其中的彈性輸入多工器能夠使任何輸入接腳連接至類比數位轉換器 (ADC) 輸入，因此能夠與熱電偶、
LMP90100 屬於 LMP90xxx 系列，包含 7 個其他的 24 及 16 位元感測器 AFE，彼此之間完全接腳相容，讓設計人員使用相同的配置，並選用 16/24 位元解析度、2/4 差動通道及整合式電流來源選項，使設計達到最佳效用。此系列也提供連續背景校正及感測器診斷等獨特功能。
連續背景校正能夠補償增益及偏移誤差，可消除時間及溫度導致的任何漂移。由於校正是在背景執行，不需要任何轉換中斷，因此完全不會干擾訊號路徑。進行如此的連續校正可提升終端產品整個生命週期的效能，有助於減少與其他解決方案所需的現場校正相關的停機時間。對於各個感測器訊號路徑配置，可指定個別的增益及取樣率。
感測器診斷也是在背景執行，完全不會干擾訊號路徑效能，因此能夠偵測感測器短路、斷路及超出範圍訊號。LMP90100 提供穩定的序列週邊介面 (serial peripheral interface; SPI)，內循環冗餘檢查 (cyclic redundancy check; CRC) 功能，能夠確保資料傳輸的完整性。CRC 與感測器診斷的結合有助於提升系統可靠度。
為了加速產品設計，LMP90xxx IC 提供WEBENCH 感測器 AFE 設計工具支援，能夠讓系統設計人員選用感測器，並設計和配置解決方案，然後將配置資料下載至感測器 AFE 進行驗證。如此即可將 AFE 配置匯出用於微控制器程式碼。如果任何裝置配置出現增益或取樣率的變更，估計的效能表將自動更新，以呈現新的裝置效能。另外，硬體開發平台可供設計人員透過基準測試的方式驗證自身的設計，設計人員能夠連接感測器、修改設計、將配置資料載入感測器 AFE IC，並且評估整個解決方案。
運用 DAC161P997 設計 4 至 20 mA 電流迴路發送器
電流迴路是長距離類比測量傳輸的業界標準，其中雙線式傳感器 (2-wire transducer) 使用測量電流值介於 4mA 至 20mA 之間。電流迴路傳輸相當穩定而不受干擾，因此一般用於工業環境，特別適合長距離傳輸。這也是低成本的解決方案，適合有爆炸危險的區域使用。
圖3：使用DAC161P997的工業用 4 至 20mA 發送器配置圖
如圖 3 所示，DAC161P997 將所有高精度元件整合於微型 16 接腳 LLP 封裝的單晶片，使設計更加簡化。要實現低功耗高精度工業用 4 至 20mA 發送器，只需要一些外部元件即可。
DAC161P997 具備單線式介面 (single wire interface; SWIF)，能夠有效傳輸數位資料，相較於 SPI 介面的解決方案，很容易就能夠進行電隔離。使用數位資料格式能夠使資料傳輸完全不遺漏資訊，資訊遺漏會對使用脈衝寬度調節 (pulse width modulation; PWM) 機制的解決方案造成影響。
裝置的 OUT 接腳所獲得的輸出電流可表示為：
如配置圖所示，DAC161P997 無法直接接合一般的 4 至 20 mA 迴路，因為迴路電壓過高。迴路電壓必須降低至 3.3V，使用 LM2936 超低靜態電流線性穩壓器或 LM2840 低功耗切換穩壓器即可辦到。設計人員必須注意的是，穩壓器的靜態電流會直接影響最低迴路電流。
如前文所述，由於溫度發送器是由迴路本身供電，因此不同 IC 的電流耗用應該盡可能降低，才能符合整體系統的 3.5mA 用量。DAC161P997 相當適合這方面的用途，因為僅耗用 190μA，而且提供 16 位元高精度低輸出電流溫度係數 (29ppm/°C)，以及絕佳的長期輸出電流漂移 (90 ppmFS)。
結論
德州儀器的 LMP90xxx 感測器 AFE 系列及 DAC161P997 提供整合式解決方案，能夠簡化感測器發送器的設計，同時減少元件數及電路板空間。LMP90xxx 可用來接合溫度或壓力等各種感測器，也可以接合溫度與壓力發送器、應力量測介面、工業程序控制及熱流量計等應用的其他電壓輸出偵測器。LMP90xxx 系列提供WEBENCH 感測器 AFE 設計工具及頂尖開發平台的支援，能夠讓設計人員快速設計和評估解決方案。為了支援更多感測器應用，其他如毒氣偵測的 LMP91000 等其他感測器 AFE 紛紛推出，另外還有些正在開發階段，未來可望推出。
其他資源：
- TI 感測器 AFE 產品系列http://www.ti.com/ww/en/analog/sensor_afe/index.shtml?DCMP=sva_sensorsafe&HQS=sensorafe-bp
