【導讀】整流二極管是利用PN結的單向導電特性，把交流電變成脈動直流電。整流二極管漏電流較大，多數采用麵接觸性料封裝的二極管。整流二極管的外形如圖1所(suo)示(shi)，另(ling)外(wai)，整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)參(can)數(shu)除(chu)前(qian)麵(mian)介(jie)紹(shao)的(de)幾(ji)個(ge)外(wai)，還(hai)有(you)整(zheng)流(liu)電(dian)流(liu)

，是(shi)指(zhi)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)工(gong)作(zuo)所(suo)允(yun)許(xu)通(tong)過(guo)的(de)電(dian)流(liu)值(zhi)。它(ta)是(shi)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)主(zhu)要(yao)參(can)數(shu)，是(shi)選(xuan)項(xiang)用(yong)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)的(de)主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)。

環路供電變送器已經從純粹的模擬信號調理器發展為高度靈活的智能變送器，但所選擇的設計方法仍取決於係統的性能、功能和成本要求。

在環路供電設計中，4mA到20mA的環路需要同時提供電源和數據，並且係統回路的工作電流必須小於4mA。事實上，小於或等於3.6mA的電流是比較典型的目標值，主要用於環路屬於低報警電流。設計中的其它關鍵因素還需要考慮目標性能、功能
、尺寸和成本。我們討論的DY個電路（圖1）采用純模擬信號鏈。

 圖1：模擬4mA到20mA環路供電變送器（參考CN0289）。

該電路測量是一個由5V基準電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器。通過一個儀表放大器放大傳感器信號。其電壓輸出通過R1轉換為電流，並彙合了經由R2產生的偏置電流。該電流流經R3，並通過運算放大器配置放大，接著經R4形成4mA到20mA的輸出。由於整個變送器所消耗的電流都經R4返回，所以其包括在4mA到20mA的調節電流中，向電路環路供電。

利用0.1%JD的電阻，該電路在25?C條件下的ZGJD可優於1%。校準可大大地提高JD

，而且通過調整R2和R1可分別實現失調和增益校準。然而，JD仍受限於傳感器性能和元件溫度漂移，這是因為電路無法輕易實現對溫度或傳感器線性化的校準。該電路功耗小於1.9mA（不包括傳感器激勵），遠低於4mA的目標值。

總(zong)而(er)言(yan)之(zhi)，該(gai)純(chun)模(mo)擬(ni)發(fa)射(she)器(qi)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。不(bu)過(guo)，該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)無(wu)法(fa)線(xian)性(xing)化(hua)，它(ta)不(bu)提(ti)供(gong)溫(wen)度(du)校(xiao)準(zhun)，也(ye)不(bu)提(ti)供(gong)診(zhen)斷(duan)功(gong)能(neng)。傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)輸(shu)出(chu)範(fan)圍(wei)的(de)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)也(ye)需(xu)要(yao)變(bian)動(dong)硬(ying)件(jian)。

純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數字處理能力（如圖2所示）來解決。

圖2：4mA到20mA環路供電變送器（參考CN0145）

該電路測量一個RTD溫度傳感器
，使用電流源供電，在RTD和精密電阻R1間進行比率測量。RTD信號可采用PGA進行調理，並通過24位Σ-? ADC轉換為數字輸出。利用ARM7微控製器處進行數據處理
，可實現對溫度傳感器和4mA到20mA輸出的校準和線性化。

該4mA到20mA輸出通過PWM信號控製，可實現12位分辨率。雖然與之前的架構類似，但輸出采用了運算放大器的同相端作為4mA到20mA環路的電壓控製。1.2V基準電壓源協同R2在環路中產生24mA的等效電流。這意味著PWM 0V的控製電壓產生24mA輸出。輸出電流隨PWM上控製電壓的增大而減小。對於4mA的電流輸出
，PWM應當設置為500mV。該技術的優點就是PWM無需緩衝，這降低了功耗和成本。

整個RTD溫度變送器的功耗在25?C和85?C時的測量值分別是2.73mA和3.13mA（不包括傳感器激勵）。該電路符合功耗要求
，但是若包括傳感器激勵電流或者其它診斷或附加特性


，則幾乎沒有電流可用。

雖然成本略高於純模擬變送器，但其完全實現了對傳感器和輸出的校準和線性化，使JD有了顯著的提高。它還可以更加靈活地實現診斷功能，並且在軟件中考慮傳感器類型變化也很容易。

不過
，仍存在一些局限性：4mA到20mA環路隻能傳輸主變量（本例中為溫度），不能傳輸其他信息。附加的診斷和係統功能雖在功耗預算範圍內，卻可能無法實現
；更高的輸入性能可能使4mA到20mA輸出驅動器成為顯著的係統誤差來源。能夠克服這些限製的電路如圖3所示。

圖3：4mA到20mA環路供電智能變送器（參考CN0267）

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程傳感器高速通道（HART?）協議在4mA到20mA環路上進行雙向通信。通過在標準的4mA到20mA模擬信號上調製出更高頻率的1.2kHz、2.2kHz頻移鍵控（FSK）數字信號，HART協議可運行於傳統的低頻環路。此外，HART通信支持診斷信息、器件參數和其它測量信息的遠程配置傳輸。

如圖3，ADuCM360通過具有片內PGA的雙通道
、精密24位Σ-? ADC對壓力傳感器和RTD進行獨立測量。低功耗Cortex?-M3內核可校準和線性化處理壓力傳感器輸入，RTD則用於溫度補償。該微控製器還運行HART協議堆棧，並且采用AD5700 HART物理層調製解調器通過UART進行通信。ZH
，該微控製器通過SPI與AD5421環路供電DAC進行通信

，以控製4mA到20mA環路。AD5421是完全集成的環路供電4mA到20mA DAC；它包括環路驅動器、16位DAC
、環路調節器和診斷特性。

圖4：HART通信

ADC在50 SPS下運行時
，壓力傳感器輸入可實現18.5位有效分辨率。在輸出端
，AD5421保證提供16位分辨率和ZD2.3 LSB的INL。

整個電路功耗典型值為2.24mA（不包括傳感器激勵）
，其中AD5421的功耗為225μA、AD5700為157μA
、ADuCM360為1.72mA，剩餘的為片內LED等其他電路的功耗。ADuCM360的24位Σ-? ADC和PGA出於開啟狀態，並且外設使能包括：片內基準電壓源
、時鍾發生器、看門狗定時器

、SPI

、UART

、定時器
、閃存
、SRAM以及工作頻率在2MHz的內核。HART通信的功耗極低，因而可以在該係統中輕鬆添加其它係統診斷等功能。

以(yi)上(shang)電(dian)路(lu)中(zhong)均(jun)未(wei)涉(she)及(ji)隔(ge)離(li)問(wen)題(ti)。在(zai)熱(re)電(dian)偶(ou)發(fa)射(she)器(qi)應(ying)用(yong)中(zhong)，裸(luo)露(lu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)能(neng)直(zhi)接(jie)綁(bang)定(ding)在(zai)金(jin)屬(shu)表(biao)麵(mian)

，因(yin)此(ci)隔(ge)離(li)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，然(ran)而(er)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)來(lai)確(que)保(bao)可(ke)靠(kao)的(de)特(te)性(xing)。新(xin)器(qi)件(jian)ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器能夠應對這些挑戰。

這些器件每通道的靜態電流和動態電流分別僅為0.3μA和148μA/Mbps。它們能夠在係統中實現隔離，以前由於功耗限製則無法做到。

總之，環路供電變送器設計可根據性能、功能和成本有很多變化。上述三種解決方案提供了不同的設計權衡考量，從Z簡單的模擬發射器到功能豐富的智能變送器。在智能變送器設計中，新款的低功耗產品將性能、功能和集成提升到之前無法達到的水平。

（來源： ADI公司

，作者：Derrick Hartmann  應用工程師  ）

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