環(huán)路供電智能變送器的功率限制

現代現場儀表，也稱為智能變送器，是基于微處理器的智能現場儀表，用于監(jiān)控過程控制變量。這種現場設備正變得越來越智能，因為一些處理能力正在從集中控制室分配到現場域。系統(tǒng)設計人員面臨的直接挑戰(zhàn)是，結合額外的智能、功能和診斷功能，同時開發(fā)能夠在4 mA至20 mA環(huán)路的有限功率內有效運行的系統(tǒng)。本文探討了市場中一些關鍵趨勢的重要性，并就如何在整體系統(tǒng)級和智能變送器設計的基本信號鏈元件中有效解決這些問題提供了見解。

大多數智能變送器是環(huán)路供電（2線）設備。從回路獲取的電力必須為儀器內部的所有內容供電，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計可用的3.5 mA（“低報警”設置）最大允許系統(tǒng)功率預算。因此，在為智能變送器設計選擇組件時，功耗是首要考慮因素。

智能變送器通常位于危險或偏遠地區(qū)，直接訪問常規(guī)系統(tǒng)維護任務是有問題的。這就是預測性維護功能發(fā)揮至關重要的作用，無需將服務人員部署到現場。因此，設備在自身健康方面變得越來越有自我意識。

變送器通過標準的 4 mA 至 20 mA 模擬回路將過程變量傳送到控制室。這是過程關鍵測量的首選通信模式，因為它非常堅固，并且本質上對噪聲和壓降不敏感。隨著現場智能化的趨勢，HART（高速可尋址遠程傳感器）通信正在成為在現場設備和控制室之間以數字方式傳輸附加診斷信息的行業(yè)雙向協議。簡而言之，直流和低頻2 mA至4 mA電流信號由獨立的高頻信號調制，該信號在一對頻率（20.1 kHz和2.2 kHz）之間切換，這種技術稱為頻移鍵控或FSK。該2 mA峰峰值FSK信號調制到模擬電流信號上，而不會中斷原始初級變量傳輸。

與所有應用一樣， 可用的PCB面積有限，導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充功能的需求而變得更加復雜。因此，每個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，以實現絕對精度和溫度漂移，對于實現準確穩(wěn)定的變送器解決方案至關重要。這也有助于消除對多個昂貴的校準程序的需求，從而降低生產成本并提高終端系統(tǒng)的可制造性。

在研究了一些關鍵的市場趨勢之后，現在讓我們仔細看看實際的環(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傳感器是智能變送器設計中的常見傳感器，其中主變量依賴于次變量，例如主變量的溫度補償。傳感元件測量環(huán)境參數或過程變量。傳感器輸出信號需要調節(jié)和放大。通常使用低噪聲精密儀表放大器。這里的一個關鍵點是低噪聲和低功耗之間的權衡。然后，經過調理的傳感器信號由ADC采樣。為了提供高性能的16位現場儀表輸出，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。ADC輸出信號的數字信號處理是信號鏈的下一個階段。這是在微控制器內完成的。這里通常使用具有>32 MIPS的10位RISC控制器，例如ARM Cortex-M3?。控制器還需要輔以適量的閃存、SRAM和其他外設，如上電復位功能、時鐘生成、數字接口和一系列診斷功能。因此，微控制器（μC）是一個復雜的組件，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，所有這些都增強了系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。提供給該DAC的基準電壓源的準確性和穩(wěn)定性也至關重要。

HART調制解調器與μC的UART接口一起饋入DAC，在智能變送器設計中實現HART通信，并在檢索儀器的過程和診斷信息方面起著至關重要的作用。同樣，低功耗和小尺寸是選擇HART調制解調器組件時的重要考慮因素。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標準的IC調制解調器AD5700 [5]。模擬前端電路針對低功耗操作進行了優(yōu)化，同時保持了所需的高模擬性能。微控制器內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部電源管理選項，可通過選擇內部時鐘速度和動態(tài)切換內部模塊的電源來權衡功耗。HART調制解調器的典型發(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算產生重大影響。同樣，環(huán)路供電DAC的最大靜態(tài)電流僅為300 μA，溫度范圍內的總未調整誤差規(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)功耗產生不利影響。

圖4.啟用HART的智能變送器演示框圖。

更詳細地檢查該解決方案，并將其與圖3中概述的通用信號鏈進行比較：

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

本設計中的第二個主要元件是環(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)路供電數字轉4mA至20 mA轉換器，集成了基準電壓源、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調制解調器通過標準UART接口連接到微控制器。HART輸出由容性分壓器調節(jié)到所需的幅度，并耦合到DAC的CIN引腳，在那里它與DAC輸出相結合，以驅動和調制輸出電流。HART輸入通過一個簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合。RC濾波器可用作HART解調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)境中工作的魯棒應用非常重要。HART調制解調器的時鐘由片內低功耗振蕩器產生，該振蕩器帶有一個3.8664 MHz的外部晶體，兩個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標準了。它已經過合規(guī)性測試、驗證，并注冊為HART通信基金會批準的HART解決方案。這種成功的注冊為電路設計人員在使用電路中概述的組件時提供了高度的信心。

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，以應對環(huán)路供電智能變送器設計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)，平衡了每個組件所需的功率分配，從而形成了一個全面的信號鏈，可滿足市場領先的現代多功能智能發(fā)送器設計的功耗、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