环路供电发射器的设计权衡考量

环路供电发射器的设计权衡考量
技术文章
环路供电发射器的设计
权衡考量
Derrick Hartmann
应用工程师
ADI公司
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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
电子邮件
案。不过,该传感器无法线性化,它不提供温度校准,也不提
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
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。
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
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
能和成本要求。本文提供了三种不同的发射器参考设计。
示)来解决。
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
VDD
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。
IEXC
Temperature
Sensor
Pt100
R1
5.62 k𝛀
ADC 1
VREF+
VREF−
我们讨论的第一个电路(图1)采用纯模拟信号链。
VREF
MicroComputer
SRAM
Flash
Clock
Reset
Watchdog
2.5 V
+
VREF
R2
100 k𝛀
1.2 V
ADR280
Op Amp
OP193
COM
ADuC7061
ADP1720
VREG
R3
100 k𝛀
4 mA to 20 mA
+HART
R4
47.5 k𝛀
CN0145
Pressure
Sensor
Resistive
Bridge
+
−
图2. 4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0145)。
VREF
R2
126.25 k𝛀
In-Amp
AD8226
R1
31.56 k𝛀
5V
ADR02
4 mA to 20 mA
Op Amp
ADA4091-2
密电阻R1间进行比率测量。RTD信号可采用PGA进行调理,并通
Q1
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
R4
10 k𝛀
R3
1 k𝛀
EVAL-CN0289-EB1Z
该电路测量一个RTD温度传感器,使用电流源供电,在RTD和精
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。
−
图1. 模拟4 mA到20 mA环路供电变送器(参考CN0289)。
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
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。
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
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
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
为电流,并汇合了经由R2产生的偏置电流。该电流流经R3,并
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
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。
流输出,PWM应当设置为500 mV。该技术的优点就是PWM无需缓
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
冲,这降低了功耗和成本。
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
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,
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
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
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
没有电流可用。
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。
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
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
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
标值。
容易。
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2
环路供电发射器的设计权衡考量
3.3 V
Pressure
Sensor
Resistive
Bridge
ADuCM360
ADC 0
Temperature
Sensor
Pt100
IEXC
VREF
ADC 1
AD5421
VDD REGOUT
MicroComputer
SRAM
Flash
Clock
Reset
Watchdog
3.3 V
REGIN
VOUT
4mA to 20 mA
+HART
Temp Sensor
DAC
COM
+
V-Regulator
VREF
ADC
SPI
UHART
COM
Watchdog
Timer
50 𝛀
Cin
3.3 V
Loop (−)
−
VDD
AD5700
HART Modem
DEMO–AD5700D2Z
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
生器、看门狗定时器、SPI、UART、定时器、闪存、SRAM以及工
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
统中轻松添加其它系统诊断等功能。
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。
作频率在2 MHz的内核。HART通信的功耗极低,因而可以在该系
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
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
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
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
通道微功耗隔离器能够应对这些挑战。
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。
电流来确保可靠的特性。新器件ADuM124x和ADuM144x 2通道/4
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。
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
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。
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。
作者简介
Derrick Hartmann是ADI公司工业和仪器仪表部的系统应用
PLC/DCS
Input/Output Cards
I/O to Device
Field Instruments
工程师。他的专业领域是过程控制应用,有工业DAC方面
的背景。他毕业于爱尔兰利默里克大学,获电子工程学士
Analog 4 mA to 20 mA
学位。联系方式: [email protected]。
1.2 kHz and 2.2 kHz
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I/O
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图4. HART通信。
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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
手设计问题、浏览常见问题
率。在输出端,AD5421保证提供16位分辨率和最大2.3 LSB的INL。
解答,或参与讨论。
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
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