作者：Derrick Hartmann(ADI公司應用工程師）

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發射器參考設計。

在環路供電設計中，4 mA到20 mA的環路需要同時提供電源和數據，并且系統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。

圖1.模擬4 mA到20 mA環路供電變送器(參考CN0289)。

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的調節電流中，向電路環路供電。

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。

總而言之，該純模擬發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。

圖2. 4 mA到20 mA環路供電變送器(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間進行比率測量。 RTD信號可采用PGA進行調理，并通過24位Σ-Δ 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環路的電壓控制。 1.2 V基準電壓源協同R2在環路中產生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。

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環路供電發射器的設計權衡考量

圖3. 4 mA到20 mA環路供電智能變送器(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 mA到20 mA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 mA到20 mA環路上進行雙向通信。 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協議可運行于傳統的低頻環路。 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協議堆棧，并且采用AD5700HART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環路供電DAC進行通信，以控制4 mA到20 mA 環路。 AD5421是完全集成的環路供電4 mA到20 mA DAC；它包括環路驅動器、16位DAC、環路調節器和診斷特性。

圖4. HART通信。

ADC在50 SPS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，，并且外設使能包括：片內基準電壓源、時鐘發生器、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。 在熱電偶發射器應用中，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。

這些器件每通道的靜態電流和動態電流分別僅為0.3 μA和148 μA/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。