環(huán)路供電變送器設(shè)計(jì)權(quán)衡考量

　　雖然成本略高于純模擬變送器，但其完全實(shí)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(shí)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。

　　不過，也仍存在一些局限性。其中包括：4~20mA環(huán)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(tǒng)功能雖在功耗預(yù)算范圍內(nèi)，卻可能無法實(shí)現(xiàn);更高的輸入性能可能使4~20mA輸出驅(qū)動(dòng)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4~20mA環(huán)路上進(jìn)行雙向通信。通過在標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA模擬信號(hào)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(hào)，HART協(xié)議可運(yùn)行于傳統(tǒng)的低頻環(huán)路。此外，HART通信支持遠(yuǎn)程配置，以及診斷信息、器件參數(shù)和其它測量信息傳輸。

　　如圖3，ADuCM360通過具有片內(nèi)PGA的雙通道、精密24位Σ-Δ ADC對壓力傳感器和RTD進(jìn)行獨(dú)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(yùn)行HART協(xié)議堆棧，并且采用AD5700 HART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4~20mA環(huán)路。AD5421是完全集成的環(huán)路供電4~20mA DAC;它包括環(huán)路驅(qū)動(dòng)器、16位DAC、環(huán)路調(diào)節(jié)器和診斷特性。

　　ADC在50sps下運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器輸入可實(shí)現(xiàn)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(gè)電路功耗典型值為2.24 mA(不包括傳感器激勵(lì))，其中AD5421的功耗為225 µA、AD5700為157 µA、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內(nèi)LED等其他電路的功耗。AduCM360采用24位Σ-ΔADC和PGA，兩者均為主動(dòng)模式，并支持以下外設(shè)：片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、看門狗定時(shí)器、SPI、UART、FLASH、SRAM以及工作頻率為2 MHz的內(nèi)核。HART通信的功耗極低，因而可以在該系統(tǒng)中輕松添加其它系統(tǒng)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(yīng)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(gè)相對較大的偏置電流來確?？煽康奶匦?。新器件ADuM124x和ADuM144x 2/4通道微功耗隔離器能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。這些器件每通道的靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流分別僅為0.3µA和148µA/Mbps。它們能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離，以前由于功耗限制則無法做到。

　　總之，環(huán)路供電變送器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)權(quán)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(shè)計(jì)中，新款的低功耗產(chǎn)品將性能、功能和集成提升到之前無法達(dá)到的水平。