工业环路供电变送器系统原理和趋势

当代的现场仪表，也就是众所周知的智能变送器，是基于微处理器的智能现场仪表，用于监控过程控制变量，例如温度、质量流速和压力等。系统设计人员面临着一种直接挑战，也就是既要融合额外的智能、功能和诊断能力，同时又要开发出能够在4 mA至20 mA的环路所提供的有限功率范围内有效运行的系统。严格的安全标准、空间限制、HART通信、诊断和预见性维护将是未来的主流趋势。

图1：采用HART的变送器通信

工业两线环路供电变送器系统设计考虑和主要挑战

为了获得合适的两线环路供电变送器系统设计，设计人员必须考虑许多不同的系统要求，包括精度、功耗预算、诊断和采用HART时的静默噪声限制。

• 最低环路电流是4 mA，对电路板设计而言允许3.5 mA的最高系统总功耗预算。

• 支持12 V至48 V的环路电压范围。

• 测量精度可以高达读数的0.1%，ADC分辨率需要16至24位，DAC分辨率需要14至16位。

• 传感器输出通常需要低噪声精密仪表放大器。

• 考虑到变送器受限的内部空间，为了实现功能最大化，需要高集成度的芯片解决方案。

• HART(高速可寻址近程变换器)通信对读取现场仪表过程和诊断信息发挥着必不可少的作用。它是叠加在1 mA p-p的振幅下的频率为1200 Hz和2200 Hz的FSK信号。

智能变送器通常位于危险或远程的恶劣环境内。为了能够在较宽的温度范围内工作，低温漂移系数和低功耗对环路供电变送器非常重要。ADI公司提供完美的产品组合，包括精密放大器、精密基准电压源、精密模数转换器和Cortex-M3内核微处理器等。

图2：一般智能变送器信号链

图2显示了典型的两线智能变送器架构，其中组合了传感器、信号调理、MCU、电流驱动器、基准电压源、HART调制解调器等。需要再次强调，小尺寸、高集成度和智能诊断将是未来现场仪表的主流趋势。

ADI公司提供的总体解决方案(高端市场)

ADI公司面向高端市场提供了一套总体解决方案，已经有样板提供，且已经在HART通信基金会注册，该解决方案正是针对这种具备高性能的两线环路供电变送器。图3显示我们只使用三芯片构建的演示方案，这也代表市场上的领先集成水平。

图示演示板的型号为DEMO-AD5700D2Z。关于此方案的具体介绍，请参考实验室电路“具有HART接口的完整4 mA至20 mA环路供电现场仪表”。

图3：支持HART的智能发射器变送器演示方案框图

主信号链

ADI公司提供的高性价比辅助解决方案(中低端市场)

中低端市场的客户往往比较在意成本控制，对于这种情况ADI公司也可以提供2种额外的高性价比解决方案，也就是下文所述的采用ADuCM360和AD693的解决方案。HART调制解调器AD5700也可以是这些电路的一种常见变化形式。

图4：采用AduCM360 PWM的高性价比解决方案

由于ADuCM360包含高分辨率16位PWM，因此可以通过简单的RC滤波器、放大器和晶体管轻松实现4 mA至20 mA的输出。这是低端智能变送器客户很常用的一种解决方法。

除了智能变送器解决方案之外，ADI公司还提供纯模拟环路供电变送器解决方案AD693，这是一种非常经典的单芯片传感器变送器解决方案，可实现各种信号调理，例如热电偶、RTD和压力信号输入。

图5：采用AD693模拟变送器的高性价比解决方案

【ADuCM360】

ADuCM360/ADuCM361是低功耗、完全集成的24位数据采集系统，在单芯片上集成双核、高性能、多通道Σ-Δ型ADC、ARM Cortex M3® MCU和Flash/EE存储器。

ADI公司为基于Cortex M3的ADuCxxx系列微控制器提供低成本开发平台。

EVAL-ADuCM360QSPZ评估套件可用来全面评估ADuCM361。ADuCM360/361引脚兼容且功能相同，但ADuCM361无ADC0。

该硬件具有简单、灵活、易用的设计特点，支持利用最少的外部元件对器件进行性能评估。提供的ADI J-Link OB仿真器连接到迷你板，提供电源、UART通信和调试能力。

用于精密模拟微控制器ADuCM360/361的QuickStart Plus套件具有真正的非介入式串行线仿真功能，可在C源调试环境下汇编，从而提供综合硬件开发环境。

QuickStart Plus套件内容:

硬件包括

评估板

USB电缆

ADI J-Link OB仿真器

软件包括

Keil MDKARM评估版集成软件开发工具

IAR EWARM评估版集成软件开发工具

CM3WSD串行下载器

示例代码

函数库

用户入门指南

数据手册、应用笔记等

【AD693】

环路供电4-20 mA传感器发射机

产品详情

AD693是一款单芯片信号调理电路，可从各种传感器接受低电平输入来控制标准4-20 mA双线电流环路。它提供片内基准电压源和辅助放大器进行传感器激励;当器件以环路供电模式工作时，激励电流最高可达3.5 mA。或者，当需要0-20 mA电源时，器件可通过本地供电实现三线应用。

通过简单的引脚绑定，可设置预先校准的30 mV和60 mV输入范围。还可添加外部电阻，实现从1 mV至100 mV的其他范围。辅助放大器可结合片内电压，为100Ω RTD提供六种预先校准范围。还可通过引脚绑定确定输出范围和零输出，从而获得标准范围：4-20mA、12 ± 8 mA和0-20 mA。

对AD693的薄膜电阻进行有源激光调整后，无需额外调整和校准便可获得高精度。所有器件均经过测试，总非调整误差在+25°C下低于满量程的0.5%，在工业温度范围内低于0.75%。残余非线性度小于0.05%。AD693还可使用外部调整管进一步减少自热误差。

对于RTD、电桥和压力传感器的低电平信号传输，AD693提供了一种经济有效的信号调理解决方案。建议用它代替过程控制、工厂自动化和系统监控等各种应用中的分立电路设计。

AD693提供20引脚陶瓷侧面钎焊DIP封装、20引脚Cerdip封装和20引脚LCCC封装，额定温度范围为−40°C至+85°C工业温度范围。

优势和特点

仪表放大器前端

环路供电电源

可独立调整的输出范围和零输出

预先校准的输出范围:

4-12 mA单极性

0-20 mA单极性

12 ± 8mA双极性

预先校准的20 mV或60mV输入范围

预先校准的100 O RTD接口

6.2 V 基准电压源，可提供高达3.5 mA的电流

非专用辅助放大器，提供更高灵活性

可选的外部调整管，可减少自热误差