設(shè)計(jì)環(huán)路供電發(fā)射器的權(quán)衡考量

環(huán)路供電變送器已經(jīng)從純粹的模擬信號(hào)調(diào)理器發(fā)展為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。本文提供了三種不同的發(fā)射器參考設(shè)計(jì)。

在環(huán)路供電設(shè)計(jì)中，4 mA到20 mA的環(huán)路需要同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)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(biāo)值，主要用于環(huán)路屬于低報(bào)警電流。設(shè)計(jì)中的其它關(guān)鍵因素還需要考慮目標(biāo)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(hào)鏈。

該電路測(cè)量是一個(gè)由5 V基準(zhǔn)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(hào)。其電壓輸出通過(guò)R1轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器配置放大，接著經(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(diào)節(jié)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條件下的最高精度可優(yōu)于1%。校準(zhǔn)可大大地提高精度，而且通過(guò)調(diào)整R2和R1可分別實(shí)現(xiàn)失調(diào)和增益校準(zhǔn)。然而，精度仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移，這是因?yàn)殡娐窡o(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度或傳感器線性化的校準(zhǔn)。

該電路功耗小于1.9 mA (不包括傳感器激勵(lì))，遠(yuǎn)低于4 mA的目標(biāo)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)法線性化，它不提供溫度校準(zhǔn)，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(shù)字處理能力(如圖2所示)來(lái)解決。

該電路測(cè)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(cè)量。RTD信號(hào)可采用PGA進(jìn)行調(diào)理，并通過(guò)24位Σ-? ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。利用ARM 7微控制器處進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器和4 mA到20 mA輸出的校準(zhǔn)和線性化。

該4 mA到20 mA輸出通過(guò)PWM信號(hào)控制，可實(shí)現(xiàn)12位分辨率。雖然與之前的架構(gòu)類(lèi)似，但輸出采用了運(yùn)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(zhǔn)電壓源協(xié)同R2在環(huán)路中產(chǎn)生24 mA的等效電流。這意味著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減小。對(duì)于4 mA的電流輸出，PWM應(yīng)當(dāng)設(shè)置為500 mV。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是PWM無(wú)需緩沖，這降低了功耗和成本。

整個(gè)RTD溫度變送器的功耗在25°C和85°C時(shí)的測(cè)量值分別是2.73 mA和3.13 mA (不包括傳感器激勵(lì))。該電路符合功耗要求，但是若包括傳感器激勵(lì)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(xiàn)了對(duì)傳感器和輸出的校準(zhǔn)和線性化，使精度有了顯著的提高。它還可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)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(tǒng)功能雖在功耗預(yù)算范圍內(nèi)，卻可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)；更高的輸入性能可能使4 mA到20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器成為顯著的系統(tǒng)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的4 mA到20 mA模擬信號(hào)上調(diào)制出更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控(FSK)數(shù)字信號(hào)，HART協(xié)議可運(yùn)行于傳統(tǒng)的低頻環(huán)路。此外，HART通信支持診斷信息、器件參數(shù)和其它測(cè)量信息的遠(yuǎn)程配置傳輸。

如圖3，ADuCM360通過(guò)具有片內(nèi)PGA的雙通道、精密24位 Σ-? ADC對(duì)壓力傳感器和RTD進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量。低功耗Cortex?-M3內(nèi)核可校準(zhǔn)和線性化處理壓力傳感器輸入，RTD則用于溫度補(bǔ)償。該微控制器還運(yùn)行HART協(xié)議堆棧，并且采用 AD5700 HART物理層調(diào)制解調(diào)器通過(guò)UART進(jìn)行通信。最后，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(qū)動(dòng)器、16位DAC、環(huán)路調(diào)節(jié)器和診斷特性。

ADC在50 SPS下運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器輸入可實(shí)現(xiàn)18.5位有效分辨率。在輸出端，AD5421保證提供16位分辨率和最大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(lì))，其中AD5421的功耗為225 μA、AD5700為157 μA、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內(nèi)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(shè)使能包括：片內(nèi)基準(zhǔn)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(nèi)核。HART通信的功耗極低，因而可以在該系統(tǒng)中輕松添加其它系統(tǒng)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(yīng)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(duì)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

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(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)可根據(jù)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(shè)計(jì)權(quán)衡考量，從最簡(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(shè)計(jì)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(dá)到的水平。