【導讀】當代的現場儀表，也就是眾所周知的智能變送器，是基于微處理器的智能現場儀表，用于監控過程控制變量。隨著一些處理功能從中心控制室分散到工作現場，此類現場設備的智能化程度日益提高。系統設計人員面臨著一種直接挑戰，也就是既要融合額外的智能、功能和診斷能力，同時又要開發出能夠在4-20mA的環路所提供的有限功率范圍內有效運行的系統。
本文旨在指出市場中出現的一些主要趨勢的重要性，同時探討如何在整體系統層次以及在智能變送器設計基本信號鏈元件的范圍內高效地解決這些問題。由ADI公司開發并向HART通信基金會[1]注冊的一個示例解決方案專門用于此類設計。
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，因此這種設計只能使用3.5 mA(“低報警”設置)，這是允許的最大系統功耗。所以，為智能變送器設計選擇器件時，功耗是首要考慮因素。
智能變送器常常位于危險或遠程區域，難以直接接觸以執行常規系統維護任務。這正是預防性維護功能發揮重要作用的場合，無需部署維修人員前往現場。因此，器件越來越需要了解自身的健康狀況。
變送器通過標準4-20 mA模擬環路向控制室傳送過程變量。對于過程關鍵型測量，這是首選通信方式，因為它非常可靠，本身對噪聲和壓降不敏感。在現場集成更多智能功能已然成為一種趨勢，在此背景下，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制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制，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信號被調制到模擬電流信號上，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面積是有限的，因此需要對所用器件的類型和尺寸進行限制。此外，變送器外殼尺寸縮小以及對補充功能的需求，進一步限制了PCB面積。結果，每個組件都需要高集成度的芯片解決方案。
隨著系統級集成變得日益普遍，困難開始轉向增強系統性能方面，即器件的精度和分辨率。根據絕對精度和溫漂選擇具有所需性能和總誤差的器件，對于實現精確、穩定的變送器解決方案至關重要。這同樣有助于消除多種高成本校準程序，從而降低生產成本，提高最終系統的可制造性。
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于智能變送器設計，其中的主變量取決于輔助變量(例如主變量的溫度補償)。檢測元件測量環境參數或過程變量。傳感器輸出信號需要進行調理和放大。通常使用低噪聲精密儀表放大器。重要的是低噪聲與低功耗之間應實現良好的平衡。經過調理的傳感器信號隨后由ADC采樣。為提供高性能16位現場儀表輸出，需要使用分辨率高于16位的ADC。常常選用高分辨率、高動態范圍的 - 型ADC。 ADC輸出信號的數字信號處理是信號鏈中的下一級。這是在微控制器中完成。通常使用10 MIPS以上的32位RISC控制器，比如ARM Cortex™-M3。該控制器還需要輔助以適當大小的閃存SRAM和其它外設，例如：上電復位功能、時鐘產生、數字接口和一系列診斷功能。微控制器(μC)是一個復雜元件，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還用于控制DAC，再由DAC控制環路電流。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，所有這些都有助于增強系統的性能和穩定性。 DAC基準源的精度和穩定性同樣至關重要。
3. 饋入DAC的是HART調制解調器，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面起著重要作用。同樣，低功耗和小尺寸是選擇HART調制解調器組件時的重要考慮因素。拼圖的最后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，并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](一款精密模擬微控制器)、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調制解調器。模擬前端電路針對低功耗工作模式而優化，同時還能維持所需要的高模擬性能。微控制器內核可以配置為普通工作模式，功耗為290 A/MHz。它提供極其靈活的內部電源管理選項，以多種內部時鐘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的最大靜態電流只有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，對系統功耗無負面影響。
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，并將其與圖3說明的通用信號鏈進行比較：
微控制器片上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則用來測量次要溫度傳感器信號。這樣可以實現主傳感器的溫度補償。兩個儀表放大器同樣集成到微控制器芯片上，此外還有激勵電流源、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接口與微控制器集成。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，并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制器配置和讀取，但也可以自主工作。
最后，HART調制解調器通過標準UART接口連接到微控制器。HART輸出通過容性分壓器調整至所需幅度，并耦合至DAC的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅動和調制輸出電流。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，同時增強系統抵抗電磁干擾的能力——這對于穩定工作在惡劣工業環境中的應用而言非常重要。HART調制解調器的時鐘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系統中的電流詳細情況。系統不但支持低功耗工作，同時也是一種高性能的解決方案，面積開銷最小，還符合HART規范。已通過兼容性測試和驗證，并注冊為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的智能變送器演示系統
總而言之，以上所述電路展示了一種可能的解決方案，可以應對環路供電智能變送器設計面臨的多重挑戰，以滿足不斷增長的市場需求。以上綜述了變送器信號鏈，并提供ADI公司解決方案，旨在直接應對這些挑戰，平衡每個組件所需的功耗分配，從而產生綜合全面的信號鏈，滿足現代多功能市場領先型智能變送器設計在功耗、性能、尺寸和診斷方面的要求。
本文轉載自亞德諾半導體。
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