環路供電變送器設計權衡考量

摘要：環路供電變送器已經從純粹的模擬信號調理器發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的性能、功能和成本要求。本文提供了三種不同的經基準測試的變送器設計。本文網絡版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/263373.htm

關鍵詞：環路供電；變送器；電源

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.9.017

在環路供電設計中，4～20mA的環路同時提供電源和數據，所以系統回路的工作電流必須小于4mA。事實上，小于或等于3.6mA的電流是比較典型的目標值，這是由于其對于環路屬于低報警電流。設計中的其它重要考慮因素是最終性能、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。

該電路測量一個由5v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，經R4形成4，20mA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4～20mA調節電流中，向電路環路供電。

利用0.1%容差的電阻，該電路就可將25℃時的最高精度提高1%以上。校準可大大地提高精度，通過調整R1和R2可分別實現失調和增益校準。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。

總的來說，純模擬變送器可提供簡單，低成本的解決方案.但是傳感器無法進行線性化處理，它也無法提供溫度校準及診斷，對于傳感器和輸出范圍的任何變化都需要改動硬件。

純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數字處理功能（如圖2所示）來解決。

該電路測量一個RTD溫度傳感器，其由電流源供電。在RTD和精密電阻R1間進行比率測量。RTD信號采用PGA進行調理，并通過24位∑-△ADC轉換為數字輸出。利用ARM 7微控制器處理該數據，可實現對溫度傳感器和4～20 mA輸出的校準和線性化。

該4～20mA輸出通過PWM信號控制，可實現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4～20mA環路的控制電壓。1.2v基準電壓源協同R2在環路中產生24mA的等效電流。這意味著PWM 0V的控制電壓產生24mA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500mV。該技術的優點就是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℃和85℃時的測量值分別是2.73mA和3.13mA（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，則幾乎沒有電流可用于其它診斷或附加特性。

雖然成本略高于純模擬變送器，但其完全實現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，也仍存在一些局限性。其中包括：4～20mA環路僅能傳輸主變量（本例中為溫度），不能傳輸其它信息；附加的診斷和系統功能雖在功耗預算范圍內，卻可能無法實現：更高的輸入性能可能使4～20mA輸出驅動器成為顯著的系統誤差來源。

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）協議在4～20mA環路上進行雙向通信。通過在標準的4～20mA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協議可運行于傳統的低頻環路。此外，HART通信支持遠程配置，以及診斷信息、器件參數和其它測量信息傳輸。

如圖3，ADuCM360通過具有片內PGA的雙通道、精密24位∑-△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協議堆棧.并且采用ADS700HART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ADS42l環路供電DAC進行通信，以控制4～20mA環路。AD5421是完全集成的環路供電4～20mA DAC：它包括環路驅動器、16位DAC、環路調節器和診斷特性。

ADC在50sps下運行時，壓力傳感器輸入可實現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AD 5421的功耗為225 p.A、AD 5700為157μA、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內LED等其他電路的功耗。AduCM360采用24位∑-A ADC和PGA，兩者均為主動模式，并支持以下外設：片內基準電壓源、時鐘發生器、看門狗定時器、SPI、UART、FLASH、SRAM以及工作頻率為2MHz的內核。HART通信的功耗極低，因而可以在該系統中輕松添加其它系統診斷等功能。

以上電路中均未涉及隔離問題。在熱電偶變送器應用中，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 2/4通道微功耗隔離器能夠應對這些挑戰。這些器件每通道的靜態電流和動態電流分別僅為0.3μA和1488A/Mbps。它們能夠在系統中實現隔離，以前由于功耗限制則無法做到。

總之，環路供電變送器設計可顯著影響性能、功能和成本。上述三種解決方案提供了不同的設計權衡考量，從最簡單的模擬變送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。