環(huán)路供電智能變送器的功率限制

現(xiàn)代現(xiàn)場儀表，也稱為智能變送器，是基于微處理器的智能現(xiàn)場儀表，用于監(jiān)控過程控制變量。這種現(xiàn)場設(shè)備正變得越來越智能，因?yàn)橐恍┨幚砟芰φ趶募锌刂剖曳峙涞浆F(xiàn)場域。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的直接挑戰(zhàn)是，結(jié)合額外的智能、功能和診斷功能，同時(shí)開發(fā)能夠在4 mA至20 mA環(huán)路的有限功率內(nèi)有效運(yùn)行的系統(tǒng)。本文探討了市場中一些關(guān)鍵趨勢的重要性，并就如何在整體系統(tǒng)級和智能變送器設(shè)計(jì)的基本信號鏈元件中有效解決這些問題提供了見解。

大多數(shù)智能變送器是環(huán)路供電（2線）設(shè)備。從回路獲取的電力必須為儀器內(nèi)部的所有內(nèi)容供電，包括傳感器和所有支持電子電路。由于最小環(huán)路電流為4 mA，因此無法增加此類設(shè)計(jì)可用的3.5 mA（“低報(bào)警”設(shè)置）最大允許系統(tǒng)功率預(yù)算。因此，在為智能變送器設(shè)計(jì)選擇組件時(shí)，功耗是首要考慮因素。

智能變送器通常位于危險(xiǎn)或偏遠(yuǎn)地區(qū)，直接訪問常規(guī)系統(tǒng)維護(hù)任務(wù)是有問題的。這就是預(yù)測性維護(hù)功能發(fā)揮至關(guān)重要的作用，無需將服務(wù)人員部署到現(xiàn)場。因此，設(shè)備在自身健康方面變得越來越有自我意識。

變送器通過標(biāo)準(zhǔn)的 4 mA 至 20 mA 模擬回路將過程變量傳送到控制室。這是過程關(guān)鍵測量的首選通信模式，因?yàn)樗浅?jiān)固，并且本質(zhì)上對噪聲和壓降不敏感。隨著現(xiàn)場智能化的趨勢，HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）通信正在成為在現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間以數(shù)字方式傳輸附加診斷信息的行業(yè)雙向協(xié)議。簡而言之，直流和低頻2 mA至4 mA電流信號由獨(dú)立的高頻信號調(diào)制，該信號在一對頻率（20.1 kHz和2.2 kHz）之間切換，這種技術(shù)稱為頻移鍵控或FSK。該2 mA峰峰值FSK信號調(diào)制到模擬電流信號上，而不會中斷原始初級變量傳輸。

與所有應(yīng)用一樣， 可用的PCB面積有限，導(dǎo)致所用組件的類型和尺寸受到限制.這種PCB面積限制因發(fā)射器外殼尺寸減小和對補(bǔ)充功能的需求而變得更加復(fù)雜。因此，每個(gè)組件都需要高水平的片上集成。

隨著系統(tǒng)級集成變得越來越普遍，挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)向提高系統(tǒng)組件精度和分辨率方面的性能。選擇具有指定性能和總誤差規(guī)格的組件，以實(shí)現(xiàn)絕對精度和溫度漂移，對于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的變送器解決方案至關(guān)重要。這也有助于消除對多個(gè)昂貴的校準(zhǔn)程序的需求，從而降低生產(chǎn)成本并提高終端系統(tǒng)的可制造性。

在研究了一些關(guān)鍵的市場趨勢之后，現(xiàn)在讓我們仔細(xì)看看實(shí)際的環(huán)路供電的4 mA至20 mA智能發(fā)射器信號鏈。

圖3所示信號鏈中的兩個(gè)傳感器是智能變送器設(shè)計(jì)中的常見傳感器，其中主變量依賴于次變量，例如主變量的溫度補(bǔ)償。傳感元件測量環(huán)境參數(shù)或過程變量。傳感器輸出信號需要調(diào)節(jié)和放大。通常使用低噪聲精密儀表放大器。這里的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是低噪聲和低功耗之間的權(quán)衡。然后，經(jīng)過調(diào)理的傳感器信號由ADC采樣。為了提供高性能的16位現(xiàn)場儀表輸出，需要分辨率大于16位的ADC。高分辨率、高動態(tài)范圍Σ-Δ型ADC通常是首選架構(gòu)。ADC輸出信號的數(shù)字信號處理是信號鏈的下一個(gè)階段。這是在微控制器內(nèi)完成的。這里通常使用具有>32 MIPS的10位RISC控制器，例如ARM Cortex-M3??？刂破鬟€需要輔以適量的閃存、SRAM和其他外設(shè)，如上電復(fù)位功能、時(shí)鐘生成、數(shù)字接口和一系列診斷功能。因此，微控制器（μC）是一個(gè)復(fù)雜的組件，可能需要大量功率，因此每mW可以完成的處理越多越好。

除了處理測量結(jié)果外，μC還用于控制DAC，而DAC又控制環(huán)路電流。除了DAC的低功耗要求外，選擇這部分信號鏈的其他重要方面是高精度、溫度穩(wěn)定性和固有的診斷功能，所有這些都增強(qiáng)了系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。提供給該DAC的基準(zhǔn)電壓源的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也至關(guān)重要。

HART調(diào)制解調(diào)器與μC的UART接口一起饋入DAC，在智能變送器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)HART通信，并在檢索儀器的過程和診斷信息方面起著至關(guān)重要的作用。同樣，低功耗和小尺寸是選擇HART調(diào)制解調(diào)器組件時(shí)的重要考慮因素。難題的最后一部分是電源管理電路，如圖3所示，作為穩(wěn)壓器模塊。這直接從環(huán)路獲取電源，并提供一個(gè)穩(wěn)壓電源，為所有概述的發(fā)送器信號鏈組件供電。

在這樣的應(yīng)用中，每一微安都很重要，圖0267所示的HART智能發(fā)送器演示電路（CN-2）[4]證明非常寶貴。該電路由ADI公司開發(fā)，使用精密模擬微控制器ADuCM360 [3]、5421位、4 mA至16 mA環(huán)路供電DACAD4 [20]和兼容HART標(biāo)準(zhǔn)的IC調(diào)制解調(diào)器AD5700 [5]。模擬前端電路針對低功耗操作進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)保持了所需的高模擬性能。微控制器內(nèi)核可以配置為正常工作模式，功耗為290 μA/MHz。它具有非常靈活的內(nèi)部電源管理選項(xiàng)，可通過選擇內(nèi)部時(shí)鐘速度和動態(tài)切換內(nèi)部模塊的電源來權(quán)衡功耗。HART調(diào)制解調(diào)器的典型發(fā)射和接收電流分別為124 μA和86 μA，因此不會對總體電流預(yù)算產(chǎn)生重大影響。同樣，環(huán)路供電DAC的最大靜態(tài)電流僅為300 μA，溫度范圍內(nèi)的總未調(diào)整誤差規(guī)格為±0.048% FSR，從而最大限度地提高了通信測量的粒度，而不會對系統(tǒng)功耗產(chǎn)生不利影響。

圖4.啟用HART的智能變送器演示框圖。

更詳細(xì)地檢查該解決方案，并將其與圖3中概述的通用信號鏈進(jìn)行比較：

微控制器片內(nèi)ADC 0測量現(xiàn)場儀表主傳感器（在本例中為電阻橋壓力傳感器），而第二個(gè)片內(nèi)ADC用于測量次級溫度傳感器信號。這允許對主傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。兩個(gè)儀表放大器也集成在μC芯片上，以及激勵(lì)電流源、基準(zhǔn)電壓源和其他支持模擬電路。所有現(xiàn)場儀表數(shù)字功能均由低功耗 32 位 ARM Cortex-M3 RISC 處理器提供。

本設(shè)計(jì)中的第二個(gè)主要元件是環(huán)路供電DAC（AD5421），它通過SPI接口與μC接口。該DAC是一款完整的環(huán)路供電數(shù)字轉(zhuǎn)4mA至20 mA轉(zhuǎn)換器，集成了基準(zhǔn)電壓源、環(huán)路接口級和可編程穩(wěn)壓電路，這是從環(huán)路中提取低電源所必需的，從而為其自身和發(fā)射器信號鏈的其余部分供電。DAC還提供許多片上診斷功能，所有這些功能都可以由微控制器配置和讀取，但也可以自主工作。

最后，HART調(diào)制解調(diào)器通過標(biāo)準(zhǔn)UART接口連接到微控制器。HART輸出由容性分壓器調(diào)節(jié)到所需的幅度，并耦合到DAC的CIN引腳，在那里它與DAC輸出相結(jié)合，以驅(qū)動和調(diào)制輸出電流。HART輸入通過一個(gè)簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合。RC濾波器可用作HART解調(diào)器的第一級帶通濾波器，并提高了系統(tǒng)電磁抗擾度，這對于在惡劣工業(yè)環(huán)境中工作的魯棒應(yīng)用非常重要。HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘由片內(nèi)低功耗振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器帶有一個(gè)3.8664 MHz的外部晶體，兩個(gè)8.2 pF電容接地，直接連接到XTAL引腳。此配置使用盡可能少的功率。

表1列出了該DEMO-AD5700D2Z系統(tǒng)中的電流擊穿情況。它不僅功耗低，而且還是一種高性能解決方案，面積開銷最小，更不用說符合HART標(biāo)準(zhǔn)了。它已經(jīng)過合規(guī)性測試、驗(yàn)證，并注冊為HART通信基金會批準(zhǔn)的HART解決方案。這種成功的注冊為電路設(shè)計(jì)人員在使用電路中概述的組件時(shí)提供了高度的信心。

圖5.啟用HART的智能發(fā)射器演示系統(tǒng)。

總之，上述電路展示了一種可能的解決方案，以應(yīng)對環(huán)路供電智能變送器設(shè)計(jì)中涉及的多方面挑戰(zhàn)，以滿足不斷增長的市場需求。通用發(fā)送器信號鏈討論以及ADI公司提供的解決方案直接解決了這些挑戰(zhàn)，平衡了每個(gè)組件所需的功率分配，從而形成了一個(gè)全面的信號鏈，可滿足市場領(lǐng)先的現(xiàn)代多功能智能發(fā)送器設(shè)計(jì)的功耗、性能、尺寸和診斷要求。

圖3.智能發(fā)射器信號鏈。

審核編輯：郭婷