环路供电发射器的设计权衡考量

环路供电变送器已经从纯粹的模拟信号调理器发展为高度灵活 的智能变送器,但所选择的设计方法仍取决于系统的性能、功 能和成本要求。本文提供了三种不同的发射器参考设计。

在环路供电设计中,4 mA到20 mA的环路需要同时提供电源和数 据,并且系统回路的工作电流必须小于4 mA。事实上,小于或等 于3.6 mA的电流是比较典型的目标值,主要用于环路属于低报警 电流。设计中的其它关键因素还需要考虑目标性能、功能、尺 寸和成本。

我们讨论的第一个电路(图1)采用纯模拟信号链。

图1. 模拟4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0289)。

该电路测量是一个由5 V基准电压源供电的阻性电桥压力传感器。 通过一个仪表放大器放大传感器信号。其电压输出通过R1转换 为电流,并汇合了经由R2产生的偏置电流。该电流流经R3,并 通过运算放大器配置放大,接着经R4形成4 mA到20 mA的输出。 由于整个变送器所消耗的电流都经R4返回,所以其包括在4 mA 到20 mA的调节电流中,向电路环路供电。

利用0.1%精度的电阻,该电路在25°C条件下的最高精度可优于 1%。校准可大大地提高精度,而且通过调整R2和R1可分别实现 失调和增益校准。然而,精度仍受限于传感器性能和元件温度 漂移,这是因为电路无法轻易实现对温度或传感器线性化的 校准。

该电路功耗小于1.9 mA (不包括传感器激励),远低于4 mA的目 标值。

总而言之,该纯模拟发射器提供了一种简单的低成本解决方 案。不过,该传感器无法线性化,它不提供温度校准,也不提 供诊断功能。 传感器或输出范围的任何变化也需要变动硬件。

纯模拟电路的许多缺点都可以通过添加数字处理能力(如图2所 示)来解决。

图2. 4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0145)。

该电路测量一个RTD温度传感器,使用电流源供电,在RTD和精 密电阻R1间进行比率测量。RTD信号可采用PGA进行调理,并通 过24位Σ-∆ ADC转换为数字输出。利用ARM 7微控制器处进行数据 处理,可实现对温度传感器和4 mA到20 mA输出的校准和线性化。

该4 mA到20 mA输出通过PWM信号控制,可实现12位分辨率。虽 然与之前的架构类似,但输出采用了运算放大器的同相端作为 4 mA到20 mA环路的电压控制。1.2 V基准电压源协同R2在环路中 产生24 mA的等效电流。这意味着PWM 0 V的控制电压产生24 mA 输出。输出电流随PWM上控制电压的增大而减小。对于4 mA的电 流输出,PWM应当设置为500 mV。该技术的优点就是PWM无需缓 冲,这降低了功耗和成本。

整个RTD温度变送器的功耗在25°C和85°C时的测量值分别是 2.73 mA和3.13 mA (不包括传感器激励)。该电路符合功耗要求, 但是若包括传感器激励电流或者其它诊断或附加特性,则几乎 没有电流可用。

虽然成本略高于纯模拟变送器,但其完全实现了对传感器和输 出的校准和线性化,使精度有了显著的提高。它还可以更加灵 活地实现诊断功能,并且在软件中考虑传感器类型变化也很 容易。

不过,仍存在一些局限性:4 mA到20 mA环路只能传输主变量 (本例中为温度),不能传输其他信息。附加的诊断和系统功能虽 在功耗预算范围内,却可能无法实现;更高的输入性能可能使 4 mA到20 mA输出驱动器成为显著的系统误差来源。能够克服这 些限制的电路如图3所示。

图3. 4 mA到20 mA环路供电智能变送器(参考CN0267)。

该电路是真正的智能变送器。除了提供卓越性能,它还允许通 过可寻址远程传感器高速通道(HART®)协议在4 mA到20 mA环路上 进行双向通信。通过在标准的4 mA到20 mA模拟信号上调制出更 高频率的1.2 kHz、2.2 kHz频移键控(FSK)数字信号,HART协议可运 行于传统的低频环路。此外,HART通信支持诊断信息、器件参 数和其它测量信息的远程配置传输。

如图3,ADuCM360通过具有片内PGA的双通道、精密24位 Σ-∆ ADC对压力传感器和RTD进行独立测量。低功耗Cortex®-M3内核可校 准和线性化处理压力传感器输入,RTD则用于温度补偿。该微 控制器还运行HART协议堆栈,并且采用 AD5700 HART物理层调制 解调器通过UART进行通信。最后,该微控制器通过SPI与AD5421 环路供电DAC进行通信,以控制4 mA到20 mA 环路。AD5421是完 全集成的环路供电4 mA到20 mA DAC;它包括环路驱动器、16位 DAC、环路调节器和诊断特性。

图4. HART通信。

ADC在50 SPS下运行时,压力传感器输入可实现18.5位有效分辨 率。在输出端,AD5421保证提供16位分辨率和最大2.3 LSB的INL。

整个电路功耗典型值为2.24 mA (不包括传感器激励),其中AD5421 的功耗为225 μA、AD5700为157 μA、ADuCM360为1.72 mA,剩余 的为片内LED等其他电路的功耗。ADuCM360的24位Σ-∆ ADC 和PGA 出于开启状态,并且外设使能包括:片内基准电压源、时钟发生器、看门狗定时器、SPI、UART、定时器、闪存、SRAM以及工 作频率在2 MHz的内核。HART通信的功耗极低,因而可以在该系 统中轻松添加其它系统诊断等功能。

以上电路中均未涉及隔离问题。在热电偶发射器应用中,裸露 的传感器可能直接绑定在金属表面,因此隔离尤为重要。光耦 合器是一种解决方案,然而它们通常需要一个相对较大的偏置 电流来确保可靠的特性。新器件 ADuM124xADuM144x 2通道/4 通道微功耗隔离器能够应对这些挑战。

这些器件每通道的静态电流和动态电流分别仅为0.3 μA和148 μA/ Mbps。它们能够在系统中实现隔离,以前由于功耗限制则无法 做到。

总之,环路供电变送器设计可根据性能、功能和成本有很多变 化。上述三种解决方案提供了不同的设计权衡考量,从最简单 的模拟发射器到功能丰富的智能变送器。在智能变送器设计 中,新款的低功耗产品将性能、功能和集成提升到之前无法达 到的水平。

作者

Derrick Hartmann

Derrick Hartmann

Derrick Hartmann 是ADI公司工业自动化部的系统应用工程师,工作地点在麻萨诸塞州威明顿市。Derrick先前是ADI公司工业DAC产品系列的产品应用工程师。Derrick毕业于爱尔兰利默里克大学,获得电子工程学位。