作者：Albert O'Grady and Jim Ryan

模擬變送器是一種現場安裝的設備，可感測壓力或溫度等物理參數，并產生與標準范圍內測量變量成比例的電流，即 4 至 20 mA。在雙絞線環路中以電流形式提供輸出具有許多優點：測量信號對噪聲不敏感，不受環路電阻變化的影響;符合標準的變送器可互換;為發射器電路供電所需的功率可以從遠程提供的環路電壓中獲得。圖1所示為傳統發送器電路，由電源、電流操縱發送器和接收控制器組成。

圖1.模擬變送器。

變送器設計滿足了用戶對提高性能和多功能性以及降低成本和維護的要求。第二代“智能模擬變送器”具有微處理器（和數據轉換），可提供遠程內存和計算能力（圖 2）。它可以在將信號轉換為電流并將其傳輸回控制器之前遠程調節信號。例如，它可以歸一化增益和失調，線性化具有已知非線性的傳感器（如RTD和熱電偶），方法是轉換為數字，使用μP中的算術算法進行處理，轉換回模擬并在環路上作為標準電流傳輸。這減輕了控制室的信號處理負擔，如果必須處理大量信號，這是一個很大的優勢。

圖2.智能發射器。

第三代“智能和智能”發射器增加了數字通信，與傳統的 4-20mA “dc”信號共享相同的雙絞線（圖 3）。通信通道允許通過雙絞線傳輸測量變量的模擬和數字版本，以及與變送器相關的控制信號和診斷數據，例如校準系數、設備 ID 和與故障診斷相關的數據。變送器故障可以遠程診斷，這對于危險場所的變送器非常有用。

Hart協議是智能發射器使用的事實通信標準。它采用基于貝爾 202 標準的頻移鍵控 （FSK） 調制。數據以 1200 位/秒的速度傳輸，在 2.2 kHz （“0”） 和 1.2 kHz （“1”） 之間切換。

圖3.智能變送器。

智能模擬變送器設計的組件選擇： 圖4所示為實現圖2所示智能發射器的電路。以下各節討論智能變送器設計因素和表格替代方案。除了低成本之外，最重要的限制因素是整個電路的功耗低于3.5 mA（“低報警”設置，比0 mA信號底低5.4 mA），以允許發射器環路供電。

圖4.智能發射器的詳細信息。

模數轉換器： 選擇ADC的其他主要標準是：

高集成度，可減少前端組件數量

高分辨率，滿足所需的系統分辨率和精度

采用 3V 或 5V 電源的單電源供電

校準功能允許消除由于時間和溫度漂移引起的組件或系統誤差。

AD7713、AD7714和AD7715符合這些標準，適合用于任何智能發射器的前端。

AD7714是一款完整的多通道（3路差分，5路單端）模擬前端，適合低頻應用。它可以直接接受來自傳感器的低電平信號（圖 5），具有片內可編程增益放大器 （PGA），可配置增益范圍為 1 至 128。大多數使用AD7714的應用中無需前端儀表放大器。

圖5.傳感器接口與AD7714 ADC接口。

基準電壓源可以從比率測量應用的傳感器激勵電壓得出。

其 Σ-Δ 架構能夠實現高達 24 位的無失碼性能。采用3 V或5 V單電源供電，功耗為650 μA（省電模式下為<5 μA）。AD7714具有差分基準電壓源輸入。其輸入信號范圍為0至+20 mV至0至+2.5 V，單極性（取決于PGA增益設置）和±20 mV至±2.5 V雙極性。其串行接口可配置為通過智能發射器電路中的微控制器輕松隔離的 3 線操作。

μC可以定期進行校準，消除器件本身或整個系統中的增益和失調誤差以及隨時間和溫度的漂移。校準功能包括自校準、背景校準和系統校準。片上校準寄存器允許OEM在工廠進行校準，將系數存儲在存儲器中，并將其重寫到現場的器件中。

AD7715本質上是AD16的1位、7714通道版本，具有PGA和輸入信號范圍、差分基準電壓源、校準特性、3 V或5 V單電源供電以及3線串行接口等所有特性。

AD7713是一款用于低頻測量的24位完整模擬前端。其兩個低電平差分模擬輸入通道可以直接從傳感器獲取信號。它還接受高電平（最多為基準電壓源的四倍）單端輸入。它具有一個差分基準輸入，并提供兩個片內電流源;它們可用于 3 線和 4 線電阻溫度檢測器 （RTD） 電路中的激勵。增益設置、信號極性和RTD電流控制可以使用雙向串行端口在軟件中進行配置。AD7713還具有自校準、系統校準和背景校準功能，以消除零量程和滿量程誤差。

模數轉換器選型表

微控制器： 微控制器（μC）是智能發射器的引擎;它控制從傳感器到環路電流的整個信息傳輸。μC的存儲器和處理能力使得定期校準、信號調理、糾錯、溫度補償和線性化成為可能，所有這些都在由環路電壓供電的遠程位置完成。除了低成本和低功耗外，用于智能變送器的μC還應具有以下特性：

記憶。它應該包含足夠的ROM和RAM，無需外部存儲器即可實現所有軟件功能（引導程序加數據處理）;這減少了系統中的元件數量、電路板空間和功耗。

串行通信端口，用于提供與輸入ADC和輸出DAC的內部接口，用于控制和數據傳輸。只需幾個光隔離器即可輕松實現電流隔離。

低時鐘速度以最大限度地降低功耗，這通常與CMOS器件中的時鐘速度成正比。

該表顯示，μC具有足夠的片上存儲器和足夠低的功耗，可以從環路供電，并實現典型發射器所需的“智能”功能。

微控制器選項

數模轉換器：在智能變送器中，DAC是驅動和控制環路電流的手段。我們在這里要考慮的示例涉及 2 線遙控發射器。

數模轉換器和電流環路控制電路的分辨率應與前端調理電路和ADC相當;DAC應該是單調的，因為過程變量（PV）可能是控制回路的一部分。這些以及足夠低的電源電流足以將環路電源的總遠端漏極保持在3.5 mA以下，是最低要求。DAC電路的額定電流消耗當然必須包括精密基準電壓源的消耗和輸出放大器的靜態電流。工作溫度范圍必須足以維持所需的整體規格，而不會在工業環境中產生過多漂移。其他要求：

高度集成的芯片，可減少整體組件

高分辨率，滿足系統分辨率和精度需求

采用 3V 或 5V 電源供電。

AD421和AD422單芯片IC專為工業電流環路控制應用而設計。這兩款器件均提供遠程變送器操作所必需的功能。

AD421*是一款環路供電電流控制Σ-Δ型DAC，采用BiCMOS實現，具有高分辨率和高精度。它配有兩個精密基準和一個穩壓器。DAC具有16位分辨率，可在4至20 mA（16 mA范圍）編程范圍內工作，還有一個額外位用于選擇性編程0-32 mA范圍內的報警電流。DAC輸出為AD421內的環路電流控制電路提供設定點。該電路通過測量返回電流并操縱在其Boost端子上消耗的電流來伺服環路電流以跟蹤其設定值。1.25V 和 2.5V 精密基準電壓源經過激光調整和溫度補償以實現低漂移，無需任何獨立基準電壓源。它們可用作DAC（2.5 V）和ADC的基準輸入。

*在大多數工業應用中，電源和信號（或過程變量）共享相同的接線到遠程位置。4-20mA 接口可用于傳輸測量變量或向閥門或執行器發送命令信號。執行器可能比從4-20 mA環路信號有效獲得的功率更多，因此它們通常作為四線設備連接，兩個用于命令信號，一對用于為設備供電。

AD421集成了一個可調穩壓器，為整個遠端發送器電路（包括AD421本身）供電。該穩壓器具有 3V、3.3V 和 5V 操作的可選設置，并可通過合適的外部電阻器編程為 3V 至 5V 的任何電壓。為了實現該穩壓器功能，需要一個外部耗盡模式調整管;它必須能夠提供變送器所需的總電流。AD421采用小外形表面貼裝封裝，非常適合擁擠的防爆外殼。

除了集成的優點外，另一個好處是指定了器件的電流環路控制性能，避免了計算涉及多個器件的誤差預算的需要。AD421具有SPI型三線接口，可輕松高效地連接大多數微控制器，如果需要將環路與傳感器進行電氣隔離以實現本質安全，則需要最少數量的光隔離器。

AD421設計用于智能和智能發送器應用。智能變送器（圖 4）雖然采用數字操作，但在 16mA （4-20mA） 的范圍內僅產生與過程變量成比例的模擬環路電流。智能變送器增加了另一個功能維度（見側欄）。變送器既可以模擬形式在電流環路上發送PV信號，也可以通過調制環路中的電流來發送和接收數字信息。數字信號使用調制解調器電路發送和接收，該電路將數字電平轉換和傳輸為調制電流，并將接收到的調制電流轉換為數字 421 和 20。AD15可與獨立調制解調器連接;其電流控制環路部分為調制信號提供了一個合適的輸入節點，用于從外部HART調制解調器耦合，例如Symbios Logic的6C<>。獨立的調制解調器以數字方式連接到微控制器或UART，如圖<>所示。

圖6.用一個分立的HART調制解調器補充圖4所示的智能傳感器。

新器件AD422降低了使用HART協議的智能發送器的物理復雜性。它將AD421的功能模塊（穩壓器、DAC、電流控制環路和基準電壓源）與HART調制解調器和多個監控電路（看門狗定時器、報警輸入和復位發生器）集成在一個芯片上！它是一種高度集成的解決方案，專門針對智能變送器的設計（圖 7），大大減少了組件數量。

圖7.采用AD422的完整智能發射器

哈特協議

工業應用中通過4至20mA電流環路進行通信的事實標準是高速公路可尋址遠程傳感器（HART）協議，該協議最初由羅斯蒙特公司開發，但現在由HART基金會為一般社區提供支持。該協議改編自貝爾 202 頻移鍵控 （FSK） 電話標準：環路電流以 1200 位/秒的速度傳輸，作為兩個相位連續頻率之一，即 1.2 kHz“標記”（1） 或 2.2 kHz“空間”（0）。經過適當濾波，交流信號不會影響測量的直流值。HART實現了主/從協議;遠程“從”設備僅在主設備尋址時響應。

由于智能變送器是遠程儀器，除了模擬PV信號外沒有其他通信方式，因此無法詢問它們的狀態信息（但額外的報警位可用于輸出小于4 mA或大于20 mA的電流）。然而，智能變送器可以與控制室進行交互通信，以便可以隨時輪詢詳細的狀態信息。HART電路可以取代現有的智能或模擬變送器安裝，而無需運行新的布線，這是一個主要優勢，因為大部分現有的變送器裝置都可以通過簡單地用HART兼容的變送器替換現有的變送器來升級。智能變送器還可以提高過程控制回路的性能。例如，控制室可以遠程“調整”傳感器輸出。變送器通常能夠測量兩個過程變量（初級和次級過程變量），而不是可以通過簡單的4至20 mA接口傳輸的單個PV。智能發射器可以發送兩個PV上的信息，以及其他相關信息。HART配置還可以單獨進行數字通信;模擬電流僅用作數字信息的載體。

該協議具有許多與七層OSI模型密切相關的層。ADI公司的AD422是物理層解決方案;其他的則在軟件中實現。

審核編輯：郭婷