【设计秘笈】环路供电发射器的设计权衡考量

作者：Derrick Hartmann(ADI公司应用工程师）

环路供电变送器已经从纯粹的模拟信号调理器发展为高度灵活的智能变送器，但所选择的设计方法仍取决于系统的性能、功能和成本要求。 本文提供了三种不同的发射器参考设计。

在环路供电设计中，4 mA到20 mA的环路需要同时提供电源和数据，并且系统回路的工作电流必须小于4 mA。

事实上，小于或等于3.6 mA的电流是比较典型的目标值，主要用于环路属于低报警电流。 设计中的其它关键因素还需要考虑目标性能、功能、尺寸和成本。我们讨论的第一个电路(图1)采用纯模拟信号链。

图1.模拟4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0289)。

该电路测量是一个由5 V基准电压源供电的阻性电桥压力传感器。 通过一个仪表放大器放大传感器信号。 其电压输出通过R1转换为电流，并汇合了经由R2产生的偏置电流。 该电流流经R3，并通过运算放大器配置放大，接着经R4形成4 mA到20 mA的输出。由于整个变送器所消耗的电流都经R4返回，所以其包括在4 mA到20 mA的调节电流中，向电路环路供电。

利用0.1%精度的电阻，该电路在25°C条件下的最高精度可优于1%。 校准可大大地提高精度，而且通过调整R2和R1可分别实现失调和增益校准。 然而，精度仍受限于传感器性能和元件温度漂移，这是因为电路无法轻易实现对温度或传感器线性化的校准。

该电路功耗小于1.9 mA (不包括传感器激励)，远低于4 mA的目标值。

总而言之，该纯模拟发射器提供了一种简单的低成本解决方案。 不过，该传感器无法线性化，它不提供温度校准，也不提供诊断功能。 传感器或输出范围的任何变化也需要变动硬件。

纯模拟电路的许多缺点都可以通过添加数字处理能力(如图2所示)来解决。

图2. 4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0145)。

该电路测量一个RTD温度传感器，使用电流源供电， 在RTD和精密电阻R1间进行比率测量。 RTD信号可采用PGA进行调理，并通过24位Σ-Δ ADC转换为数字输出。 利用ARM 7微控制器处进行数据处理，可实现对温度传感器和4 mA到20 mA输出的校准和线性化。

该4 mA到20 mA输出通过PWM信号控制，可实现12位分辨率。 虽然与之前的架构类似，但输出采用了运算放大器的同相端作为4 mA到20 mA环路的电压控制。 1.2 V基准电压源协同R2在环路中产生24 mA的等效电流。 这意味着PWM 0 V的控制电压产生24 mA输出。 输出电流随PWM上控制电压的增大而减小。 对于4 mA的电流输出，PWM应当设置为500 mV。 该技术的优点就是PWM无需缓冲，这降低了功耗和成本。

整个RTD温度变送器的功耗在25°C和85°C时的测量值分别是2.73 mA和3.13 mA (不包括传感器激励)。 该电路符合功耗要求，但是若包括传感器激励电流或者其它诊断或附加特性，则几乎没有电流可用。

虽然成本略高于纯模拟变送器，但其完全实现了对传感器和输出的校准和线性化，使精度有了显著的提高。 它还可以更加灵活地实现诊断功能，并且在软件中考虑传感器类型变化也很容易。

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环路供电发射器的设计权衡考量

图3. 4 mA到20 mA环路供电智能变送器(参考CN0267)。

不过，仍存在一些局限性：4 mA到20 mA环路只能传输主变量(本例中为温度)，不能传输其他信息。 附加的诊断和系统功能虽在功耗预算范围内，却可能无法实现；更高的输入性能可能使4 mA到20 mA输出驱动器成为显著的系统误差来源。 能够克服这些限制的电路如图3所示。

该电路是真正的智能变送器。 除了提供卓越性能，它还允许通过可寻址远程传感器高速通道(HART®)协议在4 mA到20 mA环路上进行双向通信。 通过在标准的4 mA到20 mA模拟信号上调制出更高频率的1.2 kHz、2.2 kHz频移键控(FSK)数字信号，HART协议可运行于传统的低频环路。 此外，HART通信支持诊断信息、器件参数和其它测量信息的远程配置传输。

如图3，ADuCM360通过具有片内PGA的双通道、精密24位Σ-∆ADC对压力传感器和RTD进行独立测量。 低功耗Cortex®-M3内核可校准和线性化处理压力传感器输入，RTD则用于温度补偿。 该微控制器还运行HART协议堆栈，并且采用AD5700HART物理层调制解调器通过UART进行通信。 最后，该微控制器通过SPI与AD5421环路供电DAC进行通信，以控制4 mA到20 mA 环路。 AD5421是完全集成的环路供电4 mA到20 mA DAC；它包括环路驱动器、16位DAC、环路调节器和诊断特性。

图4. HART通信。

ADC在50 SPS下运行时，压力传感器输入可实现18.5位有效分辨率。 在输出端，AD5421保证提供16位分辨率和最大2.3 LSB的INL。

整个电路功耗典型值为2.24 mA (不包括传感器激励)，其中AD5421的功耗为225 µA、AD5700为157 µA、ADuCM360为1.72 mA，剩余的为片内LED等其他电路的功耗。 ADuCM360的24位Σ-∆ ADC和PGA出于开启状态，，并且外设使能包括：片内基准电压源、时钟发生器、看门狗定时器、SPI、UART、定时器、闪存、SRAM以及工作频率在2 MHz的内核。 HART通信的功耗极低，因而可以在该系统中轻松添加其它系统诊断等功能。 以上电路中均未涉及隔离问题。 在热电偶发射器应用中，裸露的传感器可能直接绑定在金属表面，因此隔离尤为重要。 光耦合器是一种解决方案，然而它们通常需要一个相对较大的偏置电流来确保可靠的特性。 新器件ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔离器能够应对这些挑战。

这些器件每通道的静态电流和动态电流分别仅为0.3 µA和148 µA/Mbps。 它们能够在系统中实现隔离，以前由于功耗限制则无法做到。

总之，环路供电变送器设计可根据性能、功能和成本有很多变化。 上述三种解决方案提供了不同的设计权衡考量，从最简单的模拟发射器到功能丰富的智能变送器。 在智能变送器设计中，新款的低功耗产品将性能、功能和集成提升到之前无法达到的水平。

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