設計環(huán)路供電發(fā)射器的權衡考量

環(huán)路供電變送器已經從純粹的模擬信號調理器發(fā)展為高度靈活的智能變送器，但所選擇的設計方法仍取決于系統(tǒng)的性能、功能和成本要求。本文提供了三種不同的發(fā)射器參考設計。

在環(huán)路供電設計中，4 mA到20 mA的環(huán)路需要同時提供電源和數據，并且系統(tǒng)回路的工作電流必須小于4 mA。事實上，小于或等于3.6 mA的電流是比較典型的目標值，主要用于環(huán)路屬于低報警電流。設計中的其它關鍵因素還需要考慮目標性能、功能、尺寸和成本。

我們討論的第一個電路(圖1)采用純模擬信號鏈。

該電路測量是一個由5 V基準電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器。通過一個儀表放大器放大傳感器信號。其電壓輸出通過R1轉換為電流，并匯合了經由R2產生的偏置電流。該電流流經R3，并通過運算放大器配置放大，接著經R4形成4 mA到20 mA的輸出。由于整個變送器所消耗的電流都經R4返回，所以其包括在4 mA到20 mA的調節(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%。校準可大大地提高精度，而且通過調整R2和R1可分別實現(xiàn)失調和增益校準。然而，精度仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移，這是因為電路無法輕易實現(xiàn)對溫度或傳感器線性化的校準。

該電路功耗小于1.9 mA (不包括傳感器激勵)，遠低于4 mA的目標值。

總而言之，該純模擬發(fā)射器提供了一種簡單的低成本解決方案。不過，該傳感器無法線性化，它不提供溫度校準，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硬件。

純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數字處理能力(如圖2所示)來解決。

該電路測量一個RTD溫度傳感器，使用電流源供電，在RTD和精密電阻R1間進行比率測量。RTD信號可采用PGA進行調理，并通過24位Σ-? ADC轉換為數字輸出。利用ARM 7微控制器處進行數據處理，可實現(xiàn)對溫度傳感器和4 mA到20 mA輸出的校準和線性化。

該4 mA到20 mA輸出通過PWM信號控制，可實現(xiàn)12位分辨率。雖然與之前的架構類似，但輸出采用了運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基準電壓源協(xié)同R2在環(huán)路中產生24 mA的等效電流。這意味著PWM 0 V的控制電壓產生24 mA輸出。輸出電流隨PWM上控制電壓的增大而減小。對于4 mA的電流輸出，PWM應當設置為500 mV。該技術的優(yōu)點就是PWM無需緩沖，這降低了功耗和成本。

整個RTD溫度變送器的功耗在25°C和85°C時的測量值分別是2.73 mA和3.13 mA (不包括傳感器激勵)。該電路符合功耗要求，但是若包括傳感器激勵電流或者其它診斷或附加特性，則幾乎沒有電流可用。

雖然成本略高于純模擬變送器，但其完全實現(xiàn)了對傳感器和輸出的校準和線性化，使精度有了顯著的提高。它還可以更加靈活地實現(xiàn)診斷功能，并且在軟件中考慮傳感器類型變化也很容易。

不過，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)功能雖在功耗預算范圍內，卻可能無法實現(xiàn)；更高的輸入性能可能使4 mA到20 mA輸出驅動器成為顯著的系統(tǒng)誤差來源。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，它還允許通過可尋址遠程傳感器高速通道(HART?)協(xié)議在4 mA到20 mA環(huán)路上進行雙向通信。通過在標準的4 mA到20 mA模擬信號上調制出更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控(FSK)數字信號，HART協(xié)議可運行于傳統(tǒng)的低頻環(huán)路。此外，HART通信支持診斷信息、器件參數和其它測量信息的遠程配置傳輸。

如圖3，ADuCM360通過具有片內PGA的雙通道、精密24位 Σ-? ADC對壓力傳感器和RTD進行獨立測量。低功耗Cortex?-M3內核可校準和線性化處理壓力傳感器輸入，RTD則用于溫度補償。該微控制器還運行HART協(xié)議堆棧，并且采用 AD5700 HART物理層調制解調器通過UART進行通信。最后，該微控制器通過SPI與AD5421 環(huán)路供電DAC進行通信，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)路驅動器、16位DAC、環(huán)路調節(jié)器和診斷特性。

ADC在50 SPS下運行時，壓力傳感器輸入可實現(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。

整個電路功耗典型值為2.24 mA (不包括傳感器激勵)，其中AD5421的功耗為225 μA、AD5700為157 μA、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內LED等其他電路的功耗。ADuCM360的24位Σ-? ADC 和PGA出于開啟狀態(tài)，并且外設使能包括：片內基準電壓源、時鐘發(fā)生器、看門狗定時器、SPI、UART、定時器、閃存、SRAM以及工作頻率在2 MHz的內核。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題。在熱電偶發(fā)射器應用中，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相對較大的偏置電流來確保可靠的特性。新器件 ADuM124x 和 ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器能夠應對這些挑戰(zhàn)。

這些器件每通道的靜態(tài)電流和動態(tài)電流分別僅為0.3 μA和148 μA/Mbps。它們能夠在系統(tǒng)中實現(xiàn)隔離，以前由于功耗限制則無法做到。

總之，環(huán)路供電變送器設計可根據性能、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計權衡考量，從最簡單的模擬發(fā)射器到功能豐富的智能變送器。在智能變送器設計中，新款的低功耗產品將性能、功能和集成提升到之前無法達到的水平。