环路供电变送器设计权衡考量
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容易。
本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/263373.htm不过,也仍存在一些局限性。其中包括:4~20mA环路仅能传输主变量(本例中为温度),不能传输其它信息;附加的诊断和系统功能虽在功耗预算范围内,却可能无法实现;更高的输入性能可能使4~20mA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。
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4~20mA环路上进行双向通信。通过在标准的4~20mA模拟信号上调制出更高频率的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通信支持远程配置,以及诊断信息、器件参数和其它测量信息传输。
如图3,ADuCM360通过具有片内PGA的双通道、精密24位Σ-Δ 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4~20mA环路。AD5421是完全集成的环路供电4~20mA DAC;它包括环路驱动器、16位DAC、环路调节器和诊断特性。
ADC在50sps下运行时,压力传感器输入可实现18.5位有效分辨率。在输出端,AD5421保证提供16位分辨率和最大2.3 LSB的INL。
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采用24位Σ-ΔADC和PGA,两者均为主动模式,并支持以下外设:片内基准电压源、时钟发生器、看门狗定时器、SPI、UART、FLASH、SRAM以及工作频率为2 MHz的内核。HART通信的功耗极低,因而可以在该系统中轻松添加其它系统诊断等功能。
以上电路中均未涉及隔离问题。在热电偶变送器应用中,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电流来确保可靠的特性。新器件ADuM124x和ADuM144x 2/4通道微功耗隔离器能够应对这些挑战。这些器件每通道的静态电流和动态电流分别仅为0.3µA和148µA/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。
总之,环路供电变送器设计可显著影响性能、功能和成本。上述三种解决方案提供了不同的设计权衡考量,从最简单的模拟变送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。
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