環(huán)路供電變送器設(shè)計(jì)權(quán)衡考量

　　摘要：環(huán)路供電變送器已經(jīng)從純粹的模擬信號(hào)調(diào)理器發(fā)展為高度靈活的智能變送器，但所選擇的設(shè)計(jì)方法仍取決于系統(tǒng)的性能、功能和成本要求。本文提供了三種不同的經(jīng)基準(zhǔn)測(cè)試的變送器設(shè)計(jì)。

　　在環(huán)路供電設(shè)計(jì)中，4~20mA的環(huán)路同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)回路的工作電流必須小于4mA。事實(shí)上，小于或等于3.6mA的電流是比較典型的目標(biāo)值，這是由于其對(duì)于環(huán)路屬于低報(bào)警電流。設(shè)計(jì)中的其它重要考慮因素是最終性能、功能、尺寸和成本。

　　我們討論的第一個(gè)電路(圖1)采用純模擬信號(hào)鏈。

　　該電路測(cè)量一個(gè)由5V基準(zhǔn)電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器。通過(guò)一個(gè)儀表放大器放大傳感器信號(hào)。其電壓輸出通過(guò)R1轉(zhuǎn)換為電流，并匯合了經(jīng)由R2產(chǎn)生的偏置電流。該電流流經(jīng)R3，并通過(guò)運(yùn)算放大器配置放大，經(jīng)R4形成4~20mA輸出。由于整個(gè)變送器所消耗的電流都經(jīng)R4返回，所以其包括在4~20mA調(diào)節(jié)電流中，向電路環(huán)路供電。

　　利用0.1%容差的電阻，該電路就可將25℃時(shí)的最高精度提高1%以上。校準(zhǔn)可大大地提高精度，通過(guò)調(diào)整R1和R2可分別實(shí)現(xiàn)失調(diào)和增益校準(zhǔn)。 然而，精度仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移，這是因?yàn)殡娐窡o(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度或傳感器線性化的校準(zhǔn)。

　　該電路功耗小于1.9 mA(不包括傳感器激勵(lì))，遠(yuǎn)低于4 mA的目標(biāo)值。

　　總的來(lái)說(shuō)，純模擬變送器可提供簡(jiǎn)單、低成本的解決方案，但是傳感器無(wú)法進(jìn)行線性化處理，它也無(wú)法提供溫度校準(zhǔn)及診斷，對(duì)于傳感器和輸出范圍的任何變化都需要改動(dòng)硬件。

　　純模擬電路的許多缺點(diǎn)都可以通過(guò)添加數(shù)字處理功能(如圖2所示)來(lái)解決。

　　該電路測(cè)量一個(gè)RTD溫度傳感器，其由電流源供電。在RTD和精密電阻R1間進(jìn)行比率測(cè)量。 RTD信號(hào)采用PGA進(jìn)行調(diào)理，并通過(guò)24位Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。利用ARM 7微控制器處理該數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器和4~20 mA輸出的校準(zhǔn)和線性化。

　　該4~20mA輸出通過(guò)PWM信號(hào)控制，可實(shí)現(xiàn)12位分辨率。雖然與之前的架構(gòu)類(lèi)似，但輸出采用了運(yùn)算放大器的同相端作為4~20mA環(huán)路的控制電壓。1.2V基準(zhǔn)電壓源協(xié)同R2在環(huán)路中產(chǎn)生24mA的等效電流。這意味著PWM 0V的控制電壓產(chǎn)生24mA輸出。輸出電流隨PWM上控制電壓的增大而減小。 對(duì)于4 mA的電流輸出，PWM應(yīng)當(dāng)設(shè)置為500mV。 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是PWM無(wú)需緩沖，這降低了功耗和成本。

　　整個(gè)RTD溫度變送器的功耗在25℃和85℃時(shí)的測(cè)量值分別是2.73mA和3.13mA(不包括傳感器激勵(lì))。該電路符合功耗要求，但是若包括傳感器激勵(lì)電流，則幾乎沒(méi)有電流可用于其它診斷或附加特性。