本ben文wen旨zhi在zai指zhi出chu市shi場chang中zhong出chu現xian的de一yi些xie主zhu要yao趨qu勢shi的de重zhong要yao性xing，同tong時shi探tan討tao如ru何he在zai整zheng體ti係xi統tong層ceng次ci以yi及ji在zai智zhi能neng變bian送song器qi設she計ji基ji本ben信xin號hao鏈lian元yuan件jian的de範fan圍wei內nei高gao效xiao地di解jie決jue這zhe些xie問wen題ti。由youADI公司開發並向HART通信基金會[1]注冊的一個示例解決方案專門用於此類設計。

 

圖1. 現場儀表行業的趨勢

 

大部分智能變送器是環路供電型(雙線)器件。從環路獲得的電源必須為儀表內的一切供電，包括傳感器和所有支持電子電路。最小環路電流為4 mA，因此這種設計隻能使用3.5 mA(“低報警”設置)，這是允許的最大係統功耗。所以，為智能變送器設計選擇器件時，功耗是首要考慮因素。

 

智zhi能neng變bian送song器qi常chang常chang位wei於yu危wei險xian或huo遠yuan程cheng區qu域yu
，難nan以yi直zhi接jie接jie觸chu以yi執zhi行xing常chang規gui係xi統tong維wei護hu任ren務wu。這zhe正zheng是shi預yu防fang性xing維wei護hu功gong能neng發fa揮hui重zhong要yao作zuo用yong的de場chang合he，無wu需xu部bu署shu維wei修xiu人ren員yuan前qian往wang現xian場chang。因yin此ci，器qi件jian越yue來lai越yue需xu要yao了le解jie自zi身shen的de健jian康kang狀zhuang況kuang。

 

變送器通過標準4-20 mA模(mo)擬(ni)環(huan)路(lu)向(xiang)控(kong)製(zhi)室(shi)傳(chuan)送(song)過(guo)程(cheng)變(bian)量(liang)。對(dui)於(yu)過(guo)程(cheng)關(guan)鍵(jian)型(xing)測(ce)量(liang)，這(zhe)是(shi)首(shou)選(xuan)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)
，因(yin)為(wei)它(ta)非(fei)常(chang)可(ke)靠(kao)，本(ben)身(shen)對(dui)噪(zao)聲(sheng)和(he)壓(ya)降(jiang)不(bu)敏(min)感(gan)。在(zai)現(xian)場(chang)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)智(zhi)能(neng)功(gong)能(neng)已(yi)然(ran)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)趨(qu)勢(shi)，在(zai)此(ci)背(bei)景(jing)下(xia)

，HART®(可尋址遠程傳感器高速通道)通信也開始成為整個行業的最佳雙向通信協議，用以在現場設備和控製室之間以數字方式傳輸額外的診斷信息。簡而言之，直流和低頻4-20 mA電流信號由獨立的更高頻率信號進行調製，高頻信號在一對頻率之間切換：1.2 kHz和2.2 kHz
；這種技術稱為頻移鍵控(FSK)。此1 mA峰峰值FSK信號被調製到模擬電流信號上，原始主變量傳輸不中斷。

 

圖2. HART通信。

 

像所有應用一樣
，可用的PCB麵積是有限的，因此需要對所用器件的類型和尺寸進行限製。此外，變送器外殼尺寸縮小以及對補充功能的需求，進一步限製了PCB麵積。結果
，每個組件都需要高集成度的芯片解決方案。

 

suizhexitongjijichengbianderiyipubian
，kunnankaishizhuanxiangzengqiangxitongxingnengfangmian，jiqijiandejingduhefenbianlv。genjujueduijingduhewenpiaoxuanzejuyousuoxuxingnenghezongwuchadeqijian，duiyushixianjingque
、穩定的變送器解決方案至關重要。這同樣有助於消除多種高成本校準程序，從而降低生產成本

，提高最終係統的可製造性。

 

以上考察了市場上的一些主要發展趨勢，接下來，我們將詳細探討一種真實的環路供電型4-20 mA智能變送器信號鏈。

 

1. 圖3信號鏈中所示的兩種傳感器常用於智能變送器設計，其中的主變量取決於輔助變量(例如主變量的溫度補償)。jianceyuanjiancelianghuanjingcanshuhuoguochengbianliang。chuanganqishuchuxinhaoxuyaojinxingtiaolihefangda。tongchangshiyongdizaoshengjingmiyibiaofangdaqi。zhongyaodeshidizaoshengyudigonghaozhijianyingshixianlianghaodepingheng。jingguotiaolidechuanganqixinhaosuihouyouADC采樣。為提供高性能16位現場儀表輸出，需要使用分辨率高於16位的ADC。常常選用高分辨率
、高動態範圍的-型ADC。 ADC輸出信號的數字信號處理是信號鏈中的下一級。這是在微控製器中完成。通常使用10 MIPS以上的32位RISC控製器，比如ARM Cortex™-M3。該控製器還需要輔助以適當大小的閃存SRAM和其它外設，例如：上電複位功能、時鍾產生
、數字接口和一係列診斷功能。微控製器(μC)是一個複雜元件，可能需要很大功率，所以每毫瓦功率能夠完成的處理越多越好。

 

圖3. 智能變送器信號鏈

 

2. 除了處理測量之外，C還用於控製DAC
，再由DAC控製環路電流。除了DAC的低功耗要求以外，信號鏈選擇該器件的其他重要考慮是高精度
、溫度穩定性和固有診斷功能，所有這些都有助於增強係統的性能和穩定性。 DAC基準源的精度和穩定性同樣至關重要。

 

3. 饋入DAC的是HART調製解調器，它與C的UART接口一道，支持智能變送器設計的HART通信，在檢索儀器的過程和診斷信息方麵起著重要作用。同樣
，低功耗和小尺寸是選擇HART調製解調器組件時的重要考慮因素。拚圖的最後一塊是電源管理電路(如圖3所示)，圖中顯示為穩壓器模塊。它直接從環路獲取電源，並提供穩壓電源以為圖中所示全部變送器信號鏈器件供電。

 

在每微安都非常重要的此類應用中，圖4所示支持HART的智能變送器演示電路(CN-0267) [2]具有至關重要的作用。該電路由ADI公司開發而成
，采用ADuCM360 [3](一款精密模擬微控製器)、AD5421 [4]4](一款16位
、4-20 mA環路供電型DAC)和AD5700[5](一款符合HART標準的IC調tiao製zhi解jie調tiao器qi。模mo擬ni前qian端duan電dian路lu針zhen對dui低di功gong耗hao工gong作zuo模mo式shi而er優you化hua，同tong時shi還hai能neng維wei持chi所suo需xu要yao的de高gao模mo擬ni性xing能neng。微wei控kong製zhi器qi內nei核he可ke以yi配pei置zhi為wei普pu通tong工gong作zuo模mo式shi
，功gong耗hao為wei290 A/MHz。它提供極其靈活的內部電源管理選項，以多種內部時鍾速率選項實現功耗折衷
，同時還可動態地將功率輸送到內部模塊。 HART的典型發射和接收電流分別為124 μA和86 μA

，占總功耗預算的比例有限。類似地，環路供電型DAC的最大靜態電流隻有300 μA，總非調整溫度誤差為±0.048% FSR，在實現傳輸測量信息粒度最大化的同時，對係統功耗無負麵影響。

 

圖4. 支持HART的智能變送器演示方案框圖

 

更詳細地研究此解決方案
，並將其與圖3說明的通用信號鏈進行比較：

 

微控製器片上ADC 0測量現場儀表主要傳感器，本例中是一個阻性電橋壓力傳感器，第二個片上ADC則ze用yong來lai測ce量liang次ci要yao溫wen度du傳chuan感gan器qi信xin號hao。這zhe樣yang可ke以yi實shi現xian主zhu傳chuan感gan器qi的de溫wen度du補bu償chang。兩liang個ge儀yi表biao放fang大da器qi同tong樣yang集ji成cheng到dao微wei控kong製zhi器qi芯xin片pian上shang，此ci外wai還hai有you激ji勵li電dian流liu源yuan、基準電壓源和其它支持模擬電路。所有現場儀表數字功能都由低功耗32位ARM Cortex-M3 RISC處理器提供。

 

此設計中的第二個重要元件是環路供電DAC(AD5421)
，它通過SPI接口與微控製器集成。該DAC是一款完整的環路供電型數字4mA-20mA轉換器，內置基準電壓源

、環路接口級和可編程電壓調節電路
，它們都是從環路獲取低功耗電源
，並為自身以及變送器信號鏈的其他元件供電所必需的。DAC還提供多個片內診斷功能
，所有這些功能都可由微控製器配置和讀取，但也可以自主工作。

 

最後，HART調製解調器通過標準UART接口連接到微控製器。HART輸出通過容性分壓器調整至所需幅度，並耦合至DAC的CIN引腳，然後與DAC輸出一同驅動和調製輸出電流。HART輸入通過簡單無源RC濾波器從LOOP+耦合。RC濾波器作為第一級
，用作HART解調器的帶通濾波器，同時增強係統抵抗電磁幹擾的能力——這對於穩定工作在惡劣工業環境中的應用而言非常重要。HART調製解調器的時鍾由片上低功耗振蕩器生成
，具有3.8664 MHz外部晶振
，使用兩個8.2 pF接地電容，直接連接到XTAL引腳。這種配置使用的功耗最低。

 

表1列出了該DEMO-AD5700D2Z係統中的電流詳細情況。係統不但支持低功耗工作，同時也是一種高性能的解決方案，麵積開銷最小
，還符合HART規範。已通過兼容性測試和驗證，並注冊為HART通信基金會認證的HART解決方案。這一成功注冊可讓電路設計人員極其放心地使用電路中的元件。

 

表1. 演示電路的功耗計算

 

圖5. 支持HART的智能變送器演示係統

 

zongeryanzhi，yishangsuoshudianluzhanshileyizhongkenengdejiejuefangan，keyiyingduihuanlugongdianzhinengbiansongqishejimianlindeduozhongtiaozhan
，yimanzubuduanzengchangdeshichangxuqiu。yishangzongshulebiansongqixinhaolian

，bingtigongADI公(gong)司(si)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，旨(zhi)在(zai)直(zhi)接(jie)應(ying)對(dui)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)，平(ping)衡(heng)每(mei)個(ge)組(zu)件(jian)所(suo)需(xu)的(de)功(gong)耗(hao)分(fen)配(pei)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)綜(zong)合(he)全(quan)麵(mian)的(de)信(xin)號(hao)鏈(lian)，滿(man)足(zu)現(xian)代(dai)多(duo)功(gong)能(neng)市(shi)場(chang)領(ling)先(xian)型(xing)智(zhi)能(neng)變(bian)送(song)器(qi)設(she)計(ji)在(zai)功(gong)耗(hao)、性能
、尺寸和診斷方麵的要求。

 

本文轉載自亞德諾半導體。