环路供电变送器的设计权衡

环路供电变送器已从纯模拟信号调理器发展到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。本文介绍了三种不同的台架测试变送器设计。

在环路供电设计中，4 mA至20 mA环路同时提供电源和数据，因此系统必须采用小于4 mA的环路电流工作。事实上，3.6 mA或更低是更典型的目标，因为这表示环路上的低报警电流。设计的其他关键考虑因素是目标性能、功能、尺寸和成本。

我们将讨论的第一个电路（图1）使用纯模拟信号链。

图1.模拟4 mA至20 mA环路供电变送器（参考CN0289）。

该电路测量电阻桥式压力传感器，该传感器由5 V基准电压源激励。仪表放大器接收传感器信号。其电压输出由R1转换为电流，并与通过R2产生的失调电流相加。该电流流过R3，通过运算放大器配置放大，然后流经R4，形成4 mA至20 mA输出。当整个发射器消耗的电流通过R4返回时，它包含在4 mA至20 mA的稳压电流中，使电路环路供电。

该电路采用0.1%电阻，在25°C时可实现优于1%的最大精度。 校准将大大提高精度，允许调整R2和R1将分别满足失调和增益校准。然而，精度仍然受到传感器性能和元件温度漂移的限制，因为该电路不容易允许在整个温度范围内进行校准或传感器线性化。

该电路功耗低于1.9 mA（不包括传感器激励），远低于4 mA目标。

总之，这种纯模拟变送器提供了一种简单、低成本的解决方案。但是，传感器不能线性化，它不能在整个温度范围内提供校准，也不能提供诊断。对传感器或输出范围的任何更改也需要更改硬件。

纯模拟电路中的许多缺点可以通过增加数字处理功能来解决，如图2所示。

图2.4 mA至20 mA环路供电变送器（参考CN0145）。

该电路测量由电流源激励的RTD温度传感器。在RTD和精密电阻R1之间进行比例测量。RTD信号通过PGA进行调理，PGA的输出由24位Σ-∆ADC转换为数字。可以使用ARM7微控制器操作这些数据，该微控制器可用于校准和线性化温度传感器和4 mA至20 mA输出。

4 mA至20 mA输出通过PWM信号控制，能够实现12位分辨率。虽然与以前的架构类似，但输出使用运算放大器的同相端子作为4 mA至20 mA环路的控制电压。1.2 V基准电压源和R2在环路上产生相当于24 mA的电流。这意味着PWM的0 V控制电压产生24 mA输出。随着PWM上的控制电压增加，输出电流减小。对于4 mA电流输出，PWM应编程为500 mV。这种技术的优点是PWM不需要缓冲，从而降低了电流消耗和成本。

整个RTD温度变送器的电流消耗在25°C时测量为2.73 mA，在85°C时测量为3.13 mA（不包括传感器激励）。该电路满足功耗要求，但一旦增加传感器激励电流，用于任何附加诊断或功能的电流就很少了。

虽然成本略高于纯模拟变送器，但能够完全校准和线性化传感器和输出，可显著提高精度。它还具有更大的灵活性，允许诊断，并且传感器类型的变化可以很容易地在软件中说明。

但仍存在一些限制：4 mA至20 mA环路只能传输主变量，在本例中为温度，而不能传输其他信息。在功率预算范围内可能无法实现额外的诊断和系统功能，并且输入性能越高，4 mA至20 mA输出驱动器可能会成为系统误差的重要来源。克服这些限制的电路如图3所示。

图3.4 mA至20 mA环路供电智能变送器（参考CN0267）

该电路是真正的智能发射器。除了提供卓越的性能外，它还允许通过高速可寻址远程传感器（HART）协议在4 mA至20 mA环路上进行双向通信。HART协议在传统的低频环路上工作，在标准的4 mA至20 mA模拟信号上调制更高频率的1.2 kHz、2.2 kHz频移键控（FSK）数字信号。HART通信可实现诊断信息、设备参数和其他测量信息的远程配置传输。®

如图3所示，压力传感器和RTD通过具有板载PGA的双精度24位Σ-∆ADC在ADuCM360上独立测量。低功耗Cortex-M3内核对压力传感器输入进行校准和线性化，RTD用于温度补偿。微控制器还运行HART协议的堆栈，并通过UART与AD5700 HART物理层调制解调器进行通信。最后，微控制器通过SPI与环路供电DAC5421通信，以控制4 mA至20 mA环路。AD5421是一款完全集成、环路供电的4 mA至20 mA DAC;它包括环路驱动器、16位DAC、环路稳压器和诊断功能。

当ADC以50 SPS运行时，压力传感器输入能够实现18.5位的有效分辨率。在输出端，AD5421提供保证的16位分辨率和2.3 LSB最大值的INL。

整个电路的典型功耗为2.24 mA（不包括传感器激励），其中AD5421消耗225 μA，AD5700消耗157 μA，ADuCM360消耗1.72 mA，其余电流由板载LED等其他电路消耗。ADuCM360在24位Σ-∆ADC和PGA均处于活动状态的情况下工作，并启用以下外设：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和运行频率为2 MHz的内核。这种极低的功耗以及HART通信意味着可以轻松地将额外的系统诊断和功能添加到该系统中。

上述任何电路中都没有讨论的一个方面是隔离。隔离在热电偶变送器应用中特别有用，其中暴露的传感器可以直接粘合到金属表面。光耦合器是一种解决方案，尽管它们通常需要相对较大的偏置电流来确保可靠的行为。克服这些挑战的新型器件是ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔离器。

这些器件每通道静态电流仅为0.3 μA，每通道动态电流为148 μA/Mbps。它们可在以前由于电源限制而无法选择的系统中实现隔离。

总之，环路供电的发射器设计在性能、功能和成本方面可能会有很大差异。讨论的三种解决方案提供了不同的设计权衡，从最简单的模拟变送器到功能丰富的智能变送器。新的低功耗产品可实现智能变送器设计无法实现的性能、功能和集成度。

审核编辑：郭婷