ADI的两线环路供电变送器解决方案

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。


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”(CN0267)


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。


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。


主要产品简介


总之，上述电路展示了针对多层面设计挑战可能存在的一些解决方案，也就是说，选择适合智能/模拟变送器信号链的组件，实现足够低的功耗，从而确保遵从有限的功耗预算，但同时还保留必要的性能规格、功能和诊断能力，以满足不断增长的市场需求。一般的变送器信号链探讨加上ADI公司提供的解决案，旨在直接克服这些挑战，平衡每个组件所需的功耗分配，从而产生综合全面的信号链，由此满足现代多功能市场领先型智能变送器设计在功耗、性能、尺寸和诊断方面的要求。

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