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(you)ADI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。

 

隨sui著zhe係xi統tong級ji集ji成cheng變bian得de日ri益yi普pu遍bian
，困kun難nan開kai始shi轉zhuan向xiang增zeng強qiang係xi統tong性xing能neng方fang麵mian，即ji器qi件jian的de精jing度du和he分fen辨bian率lv。根gen據ju絕jue對dui精jing度du和he溫wen漂piao選xuan擇ze具ju有you所suo需xu性xing能neng和he總zong誤wu差cha的de器qi件jian，對dui於yu實shi現xian精jing確que、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)。檢jian測ce元yuan件jian測ce量liang環huan境jing參can數shu或huo過guo程cheng變bian量liang。傳chuan感gan器qi輸shu出chu信xin號hao需xu要yao進jin行xing調tiao理li和he放fang大da。通tong常chang使shi用yong低di噪zao聲sheng精jing密mi儀yi表biao放fang大da器qi。重zhong要yao的de是shi低di噪zao聲sheng與yu低di功gong耗hao之zhi間jian應ying實shi現xian良liang好hao的de平ping衡heng。經jing過guo調tiao理li的de傳chuan感gan器qi信xin號hao隨sui後hou由youADC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ICtiaozhijietiaoqi。moniqianduandianluzhenduidigonghaogongzuomoshieryouhua

，tongshihainengweichisuoxuyaodegaomonixingneng。weikongzhiqineihekeyipeizhiweiputonggongzuomoshi，gonghaowei290 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ADCzeyonglaiceliangciyaowenduchuanganqixinhao。zheyangkeyishixianzhuchuanganqidewendubuchang。lianggeyibiaofangdaqitongyangjichengdaoweikongzhiqixinpianshang，ciwaihaiyoujilidianliuyuan、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
，bingtigongADIgongsijiejuefangan，zhizaizhijieyingduizhexietiaozhan，pinghengmeigezujiansuoxudegonghaofenpei

，congerchanshengzonghequanmiandexinhaolian
，manzuxiandaiduogongnengshichanglingxianxingzhinengbiansongqishejizaigonghao、性能、尺寸和診斷方麵的要求。

 

本文轉載自亞德諾半導體。