環(huán)路供電變送器已從純模擬信號調理器發(fā)展到高度靈活的智能變送器，但所選擇的設計方法仍取決于系統(tǒng)的性能、功能和成本要求。本文介紹了三種不同的臺架測試變送器設計。

在環(huán)路供電設計中，4 mA至20 mA環(huán)路同時提供電源和數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)必須采用小于4 mA的環(huán)路電流工作。事實上，3.6 mA或更低是更典型的目標，因為這表示環(huán)路上的低報警電流。設計的其他關鍵考慮因素是目標性能、功能、尺寸和成本。

我們將討論的個電路（圖1）使用純模擬信號鏈。

圖1.模擬4 mA至20 mA環(huán)路供電變送器（參考CN0289）。

該電路測量電阻橋式壓力傳感器，該傳感器由5 V基準電壓源激勵。儀表放大器接收傳感器信號。其電壓輸出由R1轉換為電流，并與通過R2產生的失調電流相加。該電流流過R3，通過運算放大器配置放大，然后流經(jīng)R4，形成4 mA至20 mA輸出。當整個發(fā)射器消耗的電流通過R4返回時，它包含在4 mA至20 mA的穩(wěn)壓電流中，使電路環(huán)路供電。

該電路采用0.1%電阻，在25°C時可實現(xiàn)優(yōu)于1%的精度。 校準將大大提高精度，允許調整R2和R1將分別滿足失調和增益校準。然而，精度仍然受到傳感器性能和元件溫度漂移的限制，因為該電路不容易允許在整個溫度范圍內進行校準或傳感器線性化。

該電路功耗低于1.9 mA（不包括傳感器激勵），遠低于4 mA目標。

總之，這種純模擬變送器提供了一種簡單、低成本的解決方案。但是，傳感器不能線性化，它不能在整個溫度范圍內提供校準，也不能提供診斷。對傳感器或輸出范圍的任何更改也需要更改硬件。

純模擬電路中的許多缺點可以通過增加數(shù)字處理功能來解決，如圖2所示。

圖2.4 mA至20 mA環(huán)路供電變送器（參考CN0145）。

該電路測量由電流源激勵的RTD溫度傳感器。在RTD和精密電阻R1之間進行比例測量。RTD信號通過PGA進行調理，PGA的輸出由24位Σ-ADC轉換為數(shù)字?？梢允褂?span style="text-decoration:underline;">ARM7微控制器操作這些數(shù)據(jù)，該微控制器可用于校準和線性化溫度傳感器和4 mA至20 mA輸出。

4 mA至20 mA輸出通過PWM信號控制，能夠實現(xiàn)12位分辨率。雖然與以前的架構類似，但輸出使用運算放大器的同相端子作為4 mA至20 mA環(huán)路的控制電壓。1.2 V基準電壓源和R2在環(huán)路上產生相當于24 mA的電流。這意味著PWM的0 V控制電壓產生24 mA輸出。隨著PWM上的控制電壓增加，輸出電流減小。對于4 mA電流輸出，PWM應編程為500 mV。這種技術的優(yōu)點是PWM不需要緩沖，從而降低了電流消耗和成本。

整個RTD溫度變送器的電流消耗在25°C時測量為2.73 mA，在85°C時測量為3.13 mA（不包括傳感器激勵）。該電路滿足功耗要求，但一旦增加傳感器激勵電流，用于任何附加診斷或功能的電流就很少了。

雖然成本略高于純模擬變送器，但能夠校準和線性化傳感器和輸出，可顯著提高精度。它還具有更大的靈活性，允許診斷，并且傳感器類型的變化可以很容易地在軟件中說明。

但仍存在一些限制：4 mA至20 mA環(huán)路只能傳輸主變量，在本例中為溫度，而不能傳輸其他信息。在功率預算范圍內可能無法實現(xiàn)額外的診斷和系統(tǒng)功能，并且輸入性能越高，4 mA至20 mA輸出驅動器可能會成為系統(tǒng)誤差的重要來源。克服這些限制的電路如圖3所示。

圖3.4 mA至20 mA環(huán)路供電智能變送器（參考CN0267）

該電路是真正的智能發(fā)射器。除了提供的性能外，它還允許通過高速可尋址遠程傳感器（HART）協(xié)議在4 mA至20 mA環(huán)路上進行雙向通信。HART協(xié)議在傳統(tǒng)的低頻環(huán)路上工作，在標準的4 mA至20 mA模擬信號上調制更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控（FSK）數(shù)字信號。HART通信可實現(xiàn)診斷信息、設備參數(shù)和其他測量信息的遠程配置傳輸。

如圖3所示，壓力傳感器和RTD通過具有板載PGA的雙精度24位Σ-ADC在ADuCM360上獨立測量。低功耗Cortex-M3內核對壓力傳感器輸入進行校準和線性化，RTD用于溫度補償。微控制器還運行HART協(xié)議的堆棧，并通過UART與AD5700 HART物理層調制解調器進行通信。，微控制器通過SPI與環(huán)路供電DAC5421通信，以控制4 mA至20 mA環(huán)路。AD5421是一款集成、環(huán)路供電的4 mA至20 mA DAC;它包括環(huán)路驅動器、16位DAC、環(huán)路穩(wěn)壓器和診斷功能。

當ADC以50 SPS運行時，壓力傳感器輸入能夠實現(xiàn)18.5位的有效分辨率。在輸出端，AD5421提供保證的16位分辨率和2.3 LSB值的INL。

整個電路的典型功耗為2.24 mA（不包括傳感器激勵），其中AD5421消耗225 μA，AD5700消耗157 μA，ADuCM360消耗1.72 mA，其余電流由板載LED等其他電路消耗。ADuCM360在24位Σ-ADC和PGA均處于活動狀態(tài)的情況下工作，并啟用以下外設：片內基準電壓源、時鐘發(fā)生器、看門狗定時器、SPI、UART、定時器、閃存、SRAM和運行頻率為2 MHz的內核。這種極低的功耗以及HART通信意味著可以輕松地將額外的系統(tǒng)診斷和功能添加到該系統(tǒng)中。

上述任何電路中都沒有討論的一個方面是隔離。隔離在熱電偶變送器應用中特別有用，其中暴露的傳感器可以直接粘合到金屬表面。光耦合器是一種解決方案，盡管它們通常需要相對較大的偏置電流來確?？煽康男袨??？朔@些挑戰(zhàn)的新型器件是ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器。

這些器件每通道靜態(tài)電流僅為0.3 μA，每通道動態(tài)電流為148 μA/Mbps。它們可在以前由于電源限制而無法選擇的系統(tǒng)中實現(xiàn)隔離。

總之，環(huán)路供電的發(fā)射器設計在性能、功能和成本方面可能會有很大差異。討論的三種解決方案提供了不同的設計權衡，從簡單的模擬變送器到功能豐富的智能變送器。新的低功耗產品可實現(xiàn)智能變送器設計無法實現(xiàn)的性能、功能和集成度。