Derrick Hartmann 應用工程師 ADI公司
環(huán)路供電變送器已經(jīng)從純粹的模擬信號調理器發(fā)展為高度靈活的智能變送器，但所選擇的設計方法仍取決于系統的性能、功能和成本要求。本文提供了三種不同的發(fā)射器參考設計。在環(huán)路供電設計中，4 mA到20 mA的環(huán)路需要同時(shí)提供電源和數據，并且系統回路的工作電流必須小于4 mA。事實(shí)上，小于或等于3.6 mA的電流是比較典型的目標值，主要用于環(huán)路屬于低報警電流。設計中的其它關(guān)鍵因素還需要考慮目標性能、功能、尺寸和成本。
我們討論的第 一個(gè)電路(圖1)采用純模擬信號鏈。
該電路測量是一個(gè)由5 V基準電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器。通過(guò)一個(gè)儀表放大器放大傳感器信號。其電壓輸出通過(guò)R1轉換為電流，并匯合了經(jīng)由R2產(chǎn)生的偏置電流。該電流流經(jīng)R3，并通過(guò)運算放大器配置放大，接著(zhù)經(jīng)R4形成4 mA到20 mA的輸出。由于整個(gè)變送器所消耗的電流都經(jīng)R4返回，所以其包括在4 mA到20 mA的調節電流中，向電路環(huán)路供電。
利用0.1%精度的電阻，該電路在25°C條件下的zui高精度可優(yōu)于1%。校準可大大地提高精度，而且通過(guò)調整R2和R1可分別實(shí)現失調和增益校準。然而，精度仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移，這是因為電路無(wú)法輕易實(shí)現對溫度或傳感器線(xiàn)性化的校準。
該電路功耗小于1.9 mA (不包括傳感器激勵)，遠低于4 mA的目標值。
總而言之，該純模擬發(fā)射器提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。不過(guò)，該傳感器無(wú)法線(xiàn)性化，它不提供溫度校準，也不提供診斷功能。 傳感器或輸出范圍的任何變化也需要變動(dòng)硬件。純模擬電路的許多缺點(diǎn)都可以通過(guò)添加數字處理能力(如圖2所示)來(lái)解決。
該電路測量一個(gè)RTD溫度傳感器，使用電流源供電，在RTD和精密電阻R1間進(jìn)行比率測量。RTD信號可采用PGA進(jìn)行調理，并通過(guò)24位Σ-Δ ADC轉換為數字輸出。利用ARM 7微控制器處進(jìn)行數據處理，可實(shí)現對溫度傳感器和4 mA到20 mA輸出的校準和線(xiàn)性化。
該4 mA到20 mA輸出通過(guò)PWM信號控制，可實(shí)現12位分辨率。雖然與之前的架構類(lèi)似，但輸出采用運算放大器的同相端作為4 mA到20 mA環(huán)路的電壓控制。1.2 V基準電壓源協(xié)同R2在環(huán)路中產(chǎn)生24 m的等效電流。這意味著(zhù)PWM 0 V的控制電壓產(chǎn)生24 mA輸出。輸出電流隨PWM上控制電壓的增大而小。對于4 mA的電流輸出，PWM應當設置為500 mV。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是PWM無(wú)需緩沖，這降低了耗和成本。
整個(gè)RTD溫度變送器的功耗在25°C和85°C時(shí)的測量值分別是2.73 mA和3.13 mA (不包括傳感器激勵)。該電路符合功耗要求，但是若包括傳感器激勵電流或者其它診斷或附加特性，則幾乎沒(méi)有電流可用。
雖然成本略高于純模擬變送器，但其完全實(shí)現了對傳感器和輸出的校準和線(xiàn)性化，使精度有了顯著(zhù)的提高。它還可以更加靈活地實(shí)現診斷功能，并且在軟件中考慮傳感器類(lèi)型變化也很容易。
不過(guò)，仍存在一些局限性：4 mA到20 mA環(huán)路只能傳輸主變量(本例中為溫度)，不能傳輸其他信息。附加的診斷和系統功能雖在功耗預算范圍內，卻可能無(wú)法實(shí)現；更高的輸入性能可能使4 mA到20 mA輸出驅動(dòng)器成為顯著(zhù)的系統誤差來(lái)源。能夠克服這些限制的電路如圖3所示。
該電路是真正的智能變送器。除了提供卓 越性能，它還允許通過(guò)可尋址遠程傳感器高速通道(HART®)協(xié)議在4 mA到20 mA環(huán)路上進(jìn)行雙向通信。通過(guò)在標準的4 mA到20 mA模擬信號上調制出更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控(FSK)數字信號，HART協(xié)議可運行于傳統的低頻環(huán)路。此外，HART通信持診斷信息、器件參數和其它測量信息的遠程配置傳輸。
如圖3，ADuCM360通過(guò)具有片內PGA的雙通道、精密24位Σ-? ADC對壓力傳感器和RTD進(jìn)行獨立測量。低功耗Cortex®-M3內核可校準和線(xiàn)性化處理壓力傳感器輸入，RTD則用于溫度補償。該微控制器還運行HART協(xié)議堆棧，并且采用AD5700 HART物理層調制解調器通過(guò)UART進(jìn)行通信。zui后，該微控制器通過(guò)SPI與AD5421環(huán)路供電DAC進(jìn)行通信，以控制4 mA到20 mA 環(huán)路。AD5421是完全集成的環(huán)路供電4 mA到20 mA DAC；它包括環(huán)路驅動(dòng)器、16位DAC、環(huán)路調節器和診斷特性。
ADC在50 SPS下運行時(shí)，壓力傳感器輸入可實(shí)現18.5位有效分辨率。在輸出端，AD5421保證提供16位分辨率和zui大2.3 LSB的INL。整個(gè)電路功耗典型值為2.24 mA (不包括傳感器激勵)，其中AD5421
的功耗為225 μA、AD5700為157 μA、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內LED等其他電路的功耗。ADuCM360的24位Σ-? ADC和PGA出于開(kāi)啟狀態(tài)，并且外設使能包括：片內基準電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、看門(mén)狗定時(shí)器、SPI、UART、定時(shí)器、閃存、SRAM以及工作頻率在2 MHz的內核。HART通信的功耗極低，因而可以在該系統中輕松添加其它系統診斷等功能。
以上電路中均未涉及隔離問(wèn)題。在熱電偶發(fā)射器應用中，裸露的傳感器可能直接綁定在金屬表面，因此隔離尤為重要。光耦合器是一種解決方案，然而它們通常需要一個(gè)相對較大的偏置電流來(lái)確?？煽康奶匦?。新器件ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器能夠應對這些挑戰。
這些器件每通道的靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流分別僅為0.3 μA和148 μA/Mbps。它們能夠在系統中實(shí)現隔離，以前由于功耗限制則無(wú)法做到。
總之，環(huán)路供電變送器設計可根據性能、功能和成本有很多變化。上述三種解決方案提供了不同的設計權衡考量，從zui簡(jiǎn)單的模擬發(fā)射器到功能豐富的智能變送器。在智能變送器設計中，新款的低功耗產(chǎn)品將性能、功能和集成提升到之前無(wú)法達到的水平。
作者簡(jiǎn)介
Derrick Hartmann是ADI公司工業(yè)和儀器儀表部的系統應用工程師。他的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域是過(guò)程控制應用，有工業(yè)DAC方面的背景。他畢業(yè)于愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：。