環路供電變送器設計權衡考量

　　摘要：環路供電變送器已經從純粹的模擬信號調理器發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。本文提供了三種不同的經基準測試的變送器設計。

　　在環路供電設計中，4~20mA的環路同時提供電源和數據，所以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，這是由于其對于環路屬于低報警電流。設計中的其它重要考慮因素是最終性能、功能、尺寸和成本。

　　我們討論的第一個電路(圖1)采用純模擬信號鏈。

　　該電路測量一個由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，經R4形成4~20mA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4~20mA調節電流中，向電路環路供電。

　　利用0.1%容差的電阻，該電路就可將25℃時的最高精度提高1%以上。校準可大大地提高精度，通過調整R1和R2可分別實現失調和增益校準。 然而，精度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1.9 mA(不包括傳感器激勵)，遠低于4 mA的目標值。

　　總的來說，純模擬變送器可提供簡單、低成本的解決方案，但是傳感器無法進行線性化處理，它也無法提供溫度校準及診斷，對于傳感器和輸出范圍的任何變化都需要改動硬件。

　　純模擬電路的許多缺點都可以通過添加數字處理功能(如圖2所示)來解決。

　　該電路測量一個RTD溫度傳感器，其由電流源供電。在RTD和精密電阻R1間進行比率測量。 RTD信號采用PGA進行調理，并通過24位Σ-Δ ADC轉換為數字輸出。利用ARM 7微控制器處理該數據，可實現對溫度傳感器和4~20 mA輸出的校準和線性化。

　　該4~20mA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4~20mA環路的控制電壓。1.2V基準電壓源協同R2在環路中產生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4 mA的電流輸出，PWM應當設置為500mV。 該技術的優點就是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℃和85℃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，則幾乎沒有電流可用于其它診斷或附加特性。