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環(huán)路供電變送器設計的三種解決方案

發(fā)布時間:2021-11-10 來源:亞德諾半導體 責任編輯:lina

【導讀】整流二極管是利用PN結的單向導電特性,把交流電變成脈動直流電。整流二極管漏電流較大,多數采用面接觸性料封裝的二極管。整流二極管的外形如圖1所示,另外,整流二極管的參數除前面介紹的幾個外,還有整流電流,是指整流二極管長時間的工作所允許通過的電流值。它是整流二極管的主要參數,是選項用整流二極管的主要依據。


環(huán)路供電變送器已經從純粹的模擬信號調理器發(fā)展為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。


在環(huán)路供電設計中,4mA到20mA的環(huán)路需要同時提供電源和數據,并且系統回路的工作電流必須小于4mA。事實上,小于或等于3.6mA的電流是比較典型的目標值,主要用于環(huán)路屬于低報警電流。設計中的其它關鍵因素還需要考慮目標性能、功能、尺寸和成本。我們討論的DY個電路(圖1)采用純模擬信號鏈。


環(huán)路供電變送器設計的三種解決方案

 圖1:模擬4mA到20mA環(huán)路供電變送器(參考CN0289)。


該電路測量是一個由5V基準電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器。通過一個儀表放大器放大傳感器信號。其電壓輸出通過R1轉換為電流,并匯合了經由R2產生的偏置電流。該電流流經R3,并通過運算放大器配置放大,接著經R4形成4mA到20mA的輸出。由于整個變送器所消耗的電流都經R4返回,所以其包括在4mA到20mA的調節(jié)電流中,向電路環(huán)路供電。


利用0.1%JD的電阻,該電路在25?C條件下的ZGJD可優(yōu)于1%。校準可大大地提高JD,而且通過調整R2和R1可分別實現失調和增益校準。然而,JD仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移,這是因為電路無法輕易實現對溫度或傳感器線性化的校準。該電路功耗小于1.9mA(不包括傳感器激勵),遠低于4mA的目標值。


總而言之,該純模擬發(fā)射器提供了一種簡單的低成本解決方案。不過,該傳感器無法線性化,它不提供溫度校準,也不提供診斷功能。傳感器或輸出范圍的任何變化也需要變動硬件。


純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數字處理能力(如圖2所示)來解決。


環(huán)路供電變送器設計的三種解決方案

圖2:4mA到20mA環(huán)路供電變送器(參考CN0145)


該電路測量一個RTD溫度傳感器,使用電流源供電,在RTD和精密電阻R1間進行比率測量。RTD信號可采用PGA進行調理,并通過24位Σ-? ADC轉換為數字輸出。利用ARM7微控制器處進行數據處理,可實現對溫度傳感器和4mA到20mA輸出的校準和線性化。


該4mA到20mA輸出通過PWM信號控制,可實現12位分辨率。雖然與之前的架構類似,但輸出采用了運算放大器的同相端作為4mA到20mA環(huán)路的電壓控制。1.2V基準電壓源協同R2在環(huán)路中產生24mA的等效電流。這意味著PWM 0V的控制電壓產生24mA輸出。輸出電流隨PWM上控制電壓的增大而減小。對于4mA的電流輸出,PWM應當設置為500mV。該技術的優(yōu)點就是PWM無需緩沖,這降低了功耗和成本。


整個RTD溫度變送器的功耗在25?C和85?C時的測量值分別是2.73mA和3.13mA(不包括傳感器激勵)。該電路符合功耗要求,但是若包括傳感器激勵電流或者其它診斷或附加特性,則幾乎沒有電流可用。


雖然成本略高于純模擬變送器,但其完全實現了對傳感器和輸出的校準和線性化,使JD有了顯著的提高。它還可以更加靈活地實現診斷功能,并且在軟件中考慮傳感器類型變化也很容易。


不過,仍存在一些局限性:4mA到20mA環(huán)路只能傳輸主變量(本例中為溫度),不能傳輸其他信息。附加的診斷和系統功能雖在功耗預算范圍內,卻可能無法實現;更高的輸入性能可能使4mA到20mA輸出驅動器成為顯著的系統誤差來源。能夠克服這些限制的電路如圖3所示。


環(huán)路供電變送器設計的三種解決方案

圖3:4mA到20mA環(huán)路供電智能變送器(參考CN0267)


該電路是真正的智能變送器。除了提供卓越性能,它還允許通過可尋址遠程傳感器高速通道(HART?)協議在4mA到20mA環(huán)路上進行雙向通信。通過在標準的4mA到20mA模擬信號上調制出更高頻率的1.2kHz、2.2kHz頻移鍵控(FSK)數字信號,HART協議可運行于傳統的低頻環(huán)路。此外,HART通信支持診斷信息、器件參數和其它測量信息的遠程配置傳輸。


如圖3,ADuCM360通過具有片內PGA的雙通道、精密24位Σ-? ADC對壓力傳感器和RTD進行獨立測量。低功耗Cortex?-M3內核可校準和線性化處理壓力傳感器輸入,RTD則用于溫度補償。該微控制器還運行HART協議堆棧,并且采用AD5700 HART物理層調制解調器通過UART進行通信。ZH,該微控制器通過SPI與AD5421環(huán)路供電DAC進行通信,以控制4mA到20mA環(huán)路。AD5421是完全集成的環(huán)路供電4mA到20mA DAC;它包括環(huán)路驅動器、16位DAC、環(huán)路調節(jié)器和診斷特性。


環(huán)路供電變送器設計的三種解決方案

圖4:HART通信


ADC在50 SPS下運行時,壓力傳感器輸入可實現18.5位有效分辨率。在輸出端,AD5421保證提供16位分辨率和ZD2.3 LSB的INL。


整個電路功耗典型值為2.24mA(不包括傳感器激勵),其中AD5421的功耗為225μA、AD5700為157μA、ADuCM360為1.72mA,剩余的為片內LED等其他電路的功耗。ADuCM360的24位Σ-? ADC和PGA出于開啟狀態(tài),并且外設使能包括:片內基準電壓源、時鐘發(fā)生器、看門狗定時器、SPI、UART、定時器、閃存、SRAM以及工作頻率在2MHz的內核。HART通信的功耗極低,因而可以在該系統中輕松添加其它系統診斷等功能。


以上電路中均未涉及隔離問題。在熱電偶發(fā)射器應用中,裸露的傳感器可能直接綁定在金屬表面,因此隔離尤為重要。光耦合器是一種解決方案,然而它們通常需要一個相對較大的偏置電流來確??煽康奶匦?。新器件ADuM124x和ADuM144x 2通道/4通道微功耗隔離器能夠應對這些挑戰(zhàn)。


這些器件每通道的靜態(tài)電流和動態(tài)電流分別僅為0.3μA和148μA/Mbps。它們能夠在系統中實現隔離,以前由于功耗限制則無法做到。


總之,環(huán)路供電變送器設計可根據性能、功能和成本有很多變化。上述三種解決方案提供了不同的設計權衡考量,從Z簡單的模擬發(fā)射器到功能豐富的智能變送器。在智能變送器設計中,新款的低功耗產品將性能、功能和集成提升到之前無法達到的水平。

(來源: ADI公司,作者:Derrick Hartmann  應用工程師  )


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