環路供電變送器已從純模擬信號調理器發展到高度靈活的智能變送器，但所選擇的設計方法仍取決于系統的性能、功能和成本要求。本文介紹了三種不同的臺架測試變送器設計。

在環路供電設計中，4 mA至20 mA環路同時提供電源和數據，因此系統必須采用小于4 mA的環路電流工作。事實上，3.6 mA或更低是更典型的目標，因為這表示環路上的低報警電流。設計的其他關鍵考慮因素是目標性能、功能、尺寸和成本。

我們將討論的第一個電路（圖1）使用純模擬信號鏈。

圖1.模擬4 mA至20 mA環路供電變送器（參考CN0289）。

該電路測量電阻橋式壓力傳感器，該傳感器由5 V基準電壓源激勵。儀表放大器接收傳感器信號。其電壓輸出由R1轉換為電流，并與通過R2產生的失調電流相加。該電流流過R3，通過運算放大器配置放大，然后流經R4，形成4 mA至20 mA輸出。當整個發射器消耗的電流通過R4返回時，它包含在4 mA至20 mA的穩壓電流中，使電路環路供電。

該電路采用0.1%電阻，在25°C時可實現優于1%的最大精度。 校準將大大提高精度，允許調整R2和R1將分別滿足失調和增益校準。然而，精度仍然受到傳感器性能和元件溫度漂移的限制，因為該電路不容易允許在整個溫度范圍內進行校準或傳感器線性化。

該電路功耗低于1.9 mA（不包括傳感器激勵），遠低于4 mA目標。

總之，這種純模擬變送器提供了一種簡單、低成本的解決方案。但是，傳感器不能線性化，它不能在整個溫度范圍內提供校準，也不能提供診斷。對傳感器或輸出范圍的任何更改也需要更改硬件。

純模擬電路中的許多缺點可以通過增加數字處理功能來解決，如圖2所示。

圖2.4 mA至20 mA環路供電變送器（參考CN0145）。

該電路測量由電流源激勵的RTD溫度傳感器。在RTD和精密電阻R1之間進行比例測量。RTD信號通過PGA進行調理，PGA的輸出由24位Σ-?ADC轉換為數字。可以使用ARM7微控制器操作這些數據，該微控制器可用于校準和線性化溫度傳感器和4 mA至20 mA輸出。

4 mA至20 mA輸出通過PWM信號控制，能夠實現12位分辨率。雖然與以前的架構類似，但輸出使用運算放大器的同相端子作為4 mA至20 mA環路的控制電壓。1.2 V基準電壓源和R2在環路上產生相當于24 mA的電流。這意味著PWM的0 V控制電壓產生24 mA輸出。隨著PWM上的控制電壓增加，輸出電流減小。對于4 mA電流輸出，PWM應編程為500 mV。這種技術的優點是PWM不需要緩沖，從而降低了電流消耗和成本。

整個RTD溫度變送器的電流消耗在25°C時測量為2.73 mA，在85°C時測量為3.13 mA（不包括傳感器激勵）。該電路滿足功耗要求，但一旦增加傳感器激勵電流，用于任何附加診斷或功能的電流就很少了。

雖然成本略高于純模擬變送器，但能夠完全校準和線性化傳感器和輸出，可顯著提高精度。它還具有更大的靈活性，允許診斷，并且傳感器類型的變化可以很容易地在軟件中說明。

但仍存在一些限制：4 mA至20 mA環路只能傳輸主變量，在本例中為溫度，而不能傳輸其他信息。在功率預算范圍內可能無法實現額外的診斷和系統功能，并且輸入性能越高，4 mA至20 mA輸出驅動器可能會成為系統誤差的重要來源。克服這些限制的電路如圖3所示。

圖3.4 mA至20 mA環路供電智能變送器（參考CN0267）

該電路是真正的智能發射器。除了提供卓越的性能外，它還允許通過高速可尋址遠程傳感器（HART）協議在4 mA至20 mA環路上進行雙向通信。HART協議在傳統的低頻環路上工作，在標準的4 mA至20 mA模擬信號上調制更高頻率的1.2 kHz、2.2 kHz頻移鍵控（FSK）數字信號。HART通信可實現診斷信息、設備參數和其他測量信息的遠程配置傳輸。?

如圖3所示，壓力傳感器和RTD通過具有板載PGA的雙精度24位Σ-?ADC在ADuCM360上獨立測量。低功耗Cortex-M3內核對壓力傳感器輸入進行校準和線性化，RTD用于溫度補償。微控制器還運行HART協議的堆棧，并通過UART與AD5700 HART物理層調制解調器進行通信。最后，微控制器通過SPI與環路供電DAC5421通信，以控制4 mA至20 mA環路。AD5421是一款完全集成、環路供電的4 mA至20 mA DAC;它包括環路驅動器、16位DAC、環路穩壓器和診斷功能。

當ADC以50 SPS運行時，壓力傳感器輸入能夠實現18.5位的有效分辨率。在輸出端，AD5421提供保證的16位分辨率和2.3 LSB最大值的INL。

整個電路的典型功耗為2.24 mA（不包括傳感器激勵），其中AD5421消耗225 μA，AD5700消耗157 μA，ADuCM360消耗1.72 mA，其余電流由板載LED等其他電路消耗。ADuCM360在24位Σ-?ADC和PGA均處于活動狀態的情況下工作，并啟用以下外設：片內基準電壓源、時鐘發生器、看門狗定時器、SPI、UART、定時器、閃存、SRAM和運行頻率為2 MHz的內核。這種極低的功耗以及HART通信意味著可以輕松地將額外的系統診斷和功能添加到該系統中。

上述任何電路中都沒有討論的一個方面是隔離。隔離在熱電偶變送器應用中特別有用，其中暴露的傳感器可以直接粘合到金屬表面。光耦合器是一種解決方案，盡管它們通常需要相對較大的偏置電流來確保可靠的行為。克服這些挑戰的新型器件是ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器。

這些器件每通道靜態電流僅為0.3 μA，每通道動態電流為148 μA/Mbps。它們可在以前由于電源限制而無法選擇的系統中實現隔離。

總之，環路供電的發射器設計在性能、功能和成本方面可能會有很大差異。討論的三種解決方案提供了不同的設計權衡，從最簡單的模擬變送器到功能豐富的智能變送器。新的低功耗產品可實現智能變送器設計無法實現的性能、功能和集成度。

審核編輯：郭婷