環(huán)路供電變送器的設(shè)計(jì)權(quán)衡

環(huán)路供電變送器已從純模擬信號(hào)調(diào)理器發(fā)展到高度靈活的智能變送器，但所選擇的設(shè)計(jì)方法仍取決于系統(tǒng)的性能、功能和成本要求。本文介紹了三種不同的臺(tái)架測(cè)試變送器設(shè)計(jì)。

在環(huán)路供電設(shè)計(jì)中，4 mA至20 mA環(huán)路同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)必須采用小于4 mA的環(huán)路電流工作。事實(shí)上，3.6 mA或更低是更典型的目標(biāo)，因?yàn)檫@表示環(huán)路上的低報(bào)警電流。設(shè)計(jì)的其他關(guān)鍵考慮因素是目標(biāo)性能、功能、尺寸和成本。

我們將討論的第一個(gè)電路（圖1）使用純模擬信號(hào)鏈。

圖1.模擬4 mA至20 mA環(huán)路供電變送器（參考CN0289）。

該電路測(cè)量電阻橋式壓力傳感器，該傳感器由5 V基準(zhǔn)電壓源激勵(lì)。儀表放大器接收傳感器信號(hào)。其電壓輸出由R1轉(zhuǎn)換為電流，并與通過(guò)R2產(chǎn)生的失調(diào)電流相加。該電流流過(guò)R3，通過(guò)運(yùn)算放大器配置放大，然后流經(jīng)R4，形成4 mA至20 mA輸出。當(dāng)整個(gè)發(fā)射器消耗的電流通過(guò)R4返回時(shí)，它包含在4 mA至20 mA的穩(wěn)壓電流中，使電路環(huán)路供電。

該電路采用0.1%電阻，在25°C時(shí)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1%的最大精度。 校準(zhǔn)將大大提高精度，允許調(diào)整R2和R1將分別滿足失調(diào)和增益校準(zhǔn)。然而，精度仍然受到傳感器性能和元件溫度漂移的限制，因?yàn)樵撾娐凡蝗菀自试S在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)或傳感器線性化。

該電路功耗低于1.9 mA（不包括傳感器激勵(lì)），遠(yuǎn)低于4 mA目標(biāo)。

總之，這種純模擬變送器提供了一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。但是，傳感器不能線性化，它不能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供校準(zhǔn)，也不能提供診斷。對(duì)傳感器或輸出范圍的任何更改也需要更改硬件。

純模擬電路中的許多缺點(diǎn)可以通過(guò)增加數(shù)字處理功能來(lái)解決，如圖2所示。

圖2.4 mA至20 mA環(huán)路供電變送器（參考CN0145）。

該電路測(cè)量由電流源激勵(lì)的RTD溫度傳感器。在RTD和精密電阻R1之間進(jìn)行比例測(cè)量。RTD信號(hào)通過(guò)PGA進(jìn)行調(diào)理，PGA的輸出由24位Σ-?ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字?？梢允褂?a target="_blank">ARM7微控制器操作這些數(shù)據(jù)，該微控制器可用于校準(zhǔn)和線性化溫度傳感器和4 mA至20 mA輸出。

4 mA至20 mA輸出通過(guò)PWM信號(hào)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)12位分辨率。雖然與以前的架構(gòu)類似，但輸出使用運(yùn)算放大器的同相端子作為4 mA至20 mA環(huán)路的控制電壓。1.2 V基準(zhǔn)電壓源和R2在環(huán)路上產(chǎn)生相當(dāng)于24 mA的電流。這意味著PWM的0 V控制電壓產(chǎn)生24 mA輸出。隨著PWM上的控制電壓增加，輸出電流減小。對(duì)于4 mA電流輸出，PWM應(yīng)編程為500 mV。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是PWM不需要緩沖，從而降低了電流消耗和成本。

整個(gè)RTD溫度變送器的電流消耗在25°C時(shí)測(cè)量為2.73 mA，在85°C時(shí)測(cè)量為3.13 mA（不包括傳感器激勵(lì)）。該電路滿足功耗要求，但一旦增加傳感器激勵(lì)電流，用于任何附加診斷或功能的電流就很少了。

雖然成本略高于純模擬變送器，但能夠完全校準(zhǔn)和線性化傳感器和輸出，可顯著提高精度。它還具有更大的靈活性，允許診斷，并且傳感器類型的變化可以很容易地在軟件中說(shuō)明。

但仍存在一些限制：4 mA至20 mA環(huán)路只能傳輸主變量，在本例中為溫度，而不能傳輸其他信息。在功率預(yù)算范圍內(nèi)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)額外的診斷和系統(tǒng)功能，并且輸入性能越高，4 mA至20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)成為系統(tǒng)誤差的重要來(lái)源?？朔@些限制的電路如圖3所示。

圖3.4 mA至20 mA環(huán)路供電智能變送器（參考CN0267）

該電路是真正的智能發(fā)射器。除了提供卓越的性能外，它還允許通過(guò)高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）協(xié)議在4 mA至20 mA環(huán)路上進(jìn)行雙向通信。HART協(xié)議在傳統(tǒng)的低頻環(huán)路上工作，在標(biāo)準(zhǔn)的4 mA至20 mA模擬信號(hào)上調(diào)制更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控（FSK）數(shù)字信號(hào)。HART通信可實(shí)現(xiàn)診斷信息、設(shè)備參數(shù)和其他測(cè)量信息的遠(yuǎn)程配置傳輸。?

如圖3所示，壓力傳感器和RTD通過(guò)具有板載PGA的雙精度24位Σ-?ADC在ADuCM360上獨(dú)立測(cè)量。低功耗Cortex-M3內(nèi)核對(duì)壓力傳感器輸入進(jìn)行校準(zhǔn)和線性化，RTD用于溫度補(bǔ)償。微控制器還運(yùn)行HART協(xié)議的堆棧，并通過(guò)UART與AD5700 HART物理層調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信。最后，微控制器通過(guò)SPI與環(huán)路供電DAC5421通信，以控制4 mA至20 mA環(huán)路。AD5421是一款完全集成、環(huán)路供電的4 mA至20 mA DAC;它包括環(huán)路驅(qū)動(dòng)器、16位DAC、環(huán)路穩(wěn)壓器和診斷功能。

當(dāng)ADC以50 SPS運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器輸入能夠?qū)崿F(xiàn)18.5位的有效分辨率。在輸出端，AD5421提供保證的16位分辨率和2.3 LSB最大值的INL。

整個(gè)電路的典型功耗為2.24 mA（不包括傳感器激勵(lì)），其中AD5421消耗225 μA，AD5700消耗157 μA，ADuCM360消耗1.72 mA，其余電流由板載LED等其他電路消耗。ADuCM360在24位Σ-?ADC和PGA均處于活動(dòng)狀態(tài)的情況下工作，并啟用以下外設(shè)：片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、看門狗定時(shí)器、SPI、UART、定時(shí)器、閃存、SRAM和運(yùn)行頻率為2 MHz的內(nèi)核。這種極低的功耗以及HART通信意味著可以輕松地將額外的系統(tǒng)診斷和功能添加到該系統(tǒng)中。

上述任何電路中都沒(méi)有討論的一個(gè)方面是隔離。隔離在熱電偶變送器應(yīng)用中特別有用，其中暴露的傳感器可以直接粘合到金屬表面。光耦合器是一種解決方案，盡管它們通常需要相對(duì)較大的偏置電流來(lái)確?？煽康男袨椤？朔@些挑戰(zhàn)的新型器件是ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器。

這些器件每通道靜態(tài)電流僅為0.3 μA，每通道動(dòng)態(tài)電流為148 μA/Mbps。它們可在以前由于電源限制而無(wú)法選擇的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離。

總之，環(huán)路供電的發(fā)射器設(shè)計(jì)在性能、功能和成本方面可能會(huì)有很大差異。討論的三種解決方案提供了不同的設(shè)計(jì)權(quán)衡，從最簡(jiǎn)單的模擬變送器到功能豐富的智能變送器。新的低功耗產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)智能變送器設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能、功能和集成度。

審核編輯：郭婷