作者：Derrick Hartmann(ADI公司應(yīng)用工程師） 環(huán)路供電變送器已經(jīng)從純粹的模擬信號調(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。 在環(huán)路供電設(shè)計中，4 mA到20 mA的環(huán)路需要同時提供電源和數(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)路屬于低報警電流。 設(shè)計中的其它關(guān)鍵因素還需要考慮目標(biāo)性能、功能、尺寸和成本。我們討論的第一個電路(圖1)采用純模擬信號鏈。 圖1.模擬4 mA到20 mA環(huán)路供電變送器(參考CN0289)。 該電路測量是一個由5 V基準(zhǔn)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(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，并通過運算放大器配置放大，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，而且通過調(diào)整R2和R1可分別實現(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，這是因為電路無法輕易實現(xiàn)對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)，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(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硬件。 純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數(shù)字處理能力(如圖2所示)來解決。 圖2. 4 mA到20 mA環(huán)路供電變送器(參考CN0145)。 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(jìn)行比率測量。 RTD信號可采用PGA進(jìn)行調(diào)理，并通過24位Σ-Δ 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，可實現(xiàn)對溫度傳感器和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PWM信號控制，可實現(xiàn)12位分辨率。 雖然與之前的架構(gòu)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(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(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。 請訪問 analog.com 環(huán)路供電發(fā)射器的設(shè)計權(quán)衡考量 圖3. 4 mA到20 mA環(huán)路供電智能變送器(參考CN0267)。 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(yù)算范圍內(nèi)，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(qū)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(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。 通過在標(biāo)準(zhǔn)的4 mA到20 mA模擬信號上調(diào)制出更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控(FSK)數(shù)字信號，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(shù)和其它測量信息的遠(yuǎn)程配置傳輸。 如圖3，ADuCM360通過具有片內(nèi)PGA的雙通道、精密24位Σ-?ADC對壓力傳感器和RTD進(jìn)行獨立測量。 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。 該微控制器還運行HART協(xié)議堆棧，并且采用AD5700HART物理層調(diào)制解調(diào)器通過UART進(jìn)行通信。 最后，該微控制器通過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)動器、16位DAC、環(huán)路調(diào)節(jié)器和診斷特性。 圖4. HART通信。 PLC/DCS?輸入/輸出卡 I/O至器件 現(xiàn)場儀表 模擬4 mA到20 mA 支持HART的I/O 1.2 kHz和2.2 kHz HART數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 智能HART器件