三种不同的发射器参考设计资料下载

作者：Derrick Hartmann(ADI公司应用工程师） 环路供电变送器已经从纯粹的interwetten与威廉的赔率体系 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-Δ 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。 该威廉希尔官方网站 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。 请访问 analog.com 环路供电发射器的设计权衡考量 图3. 4 mA到20 mA环路供电智能变送器(参考CN0267)。 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。 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AD5700HART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。 PLC/DCS 输入/输出卡 I/O至器件 现场仪表 模拟4 mA到20 mA 支持HART的I/O 1.2 kHz和2.2 kHz HART数字数据 智能HART器件