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ADI 的兩線環路供電變送器解決方案

 2013-07-03

工業環路供電變送器系統原理和趨勢

當代的現場儀錶,也就是眾所周知的智慧變送器,是基於微處理器的智慧現場儀錶,用於監控程序控制變數,例如溫度、品質流速和壓力等。系統設計人員面臨著一種直接挑戰,也就是既要融合額外的智慧、功能和診斷能力,同時又要開發出能夠在4 mA至20 mA的環路所提供的有限功率範圍內有效運行的系統。嚴格的安全標準、空間限制、HART通信、診斷和預見性維護將是未來的主流趨勢。

 

                                                                              圖1:採用HART的變送器通信

 

工業兩線環路供電變送器系統設計考慮和主要挑戰

為了獲得合適的兩線環路供電變送器系統設計,設計人員必須考慮許多不同的系統要求,包括精度、功耗預算、診斷和採用HART時的靜默雜訊限制。

  • 最低環路電流是4 mA,對電路板設計而言允許3.5 mA的最高系統總功耗預算。
  • 支援12 V至48 V的環路電壓範圍。
  • 測量精度可以高達讀數的0.1%,ADC解析度需要16至24位元,DAC解析度需要14至16位元。
  • 感測器輸出通常需要低雜訊精密儀錶放大器。
  • 考慮到變送器受限的內部空間,為了實現功能最大化,需要高集成度的晶片解決方案。
  • HART(高速可定址近程變換器)通信對讀取現場儀錶過程和診斷資訊發揮著必不可少的作用。它是疊加在1 mA p-p的振幅下的頻率為1200 Hz和2200 Hz的FSK信號。

 

智慧變送器通常位於危險或遠端的惡劣環境內。為了能夠在較寬的溫度範圍內工作,低溫漂移係數和低功耗對環路供電變送器非常重要。ADI公司提供完美的產品組合,包括精密放大器、精密基準電壓源、精密模數轉換器和Cortex-M3內核微處理器等。

 

 

                                                                                 圖2:一般智慧變送器信號鏈

 

圖2顯示了典型的兩線智慧變送器架構,其中組合了感測器、信號調理、MCU、電流驅動器、基準電壓源、HART數據機等。需要再次強調,小尺寸、高集成度和智慧診斷將是未來現場儀錶的主流趨勢。

 

ADI公司提供的總體解決方案(高端市場)

ADI公司面向高端市場提供了一套總體解決方案,已經有樣板提供,且已經在HART通信基金會註冊,該解決方案正是針對這種具備高性能的兩線環路供電變送器。圖3顯示我們只使用三晶片構建的演示方案,這也代表市場上的領先集成水準。

 

圖示演示板的型號為DEMO-AD5700D2Z。關於此方案的具體介紹,請參考實驗室電路“具有HART介面的完整4 mA至20 mA環路供電現場儀錶。

 

                                                                圖3:支援HART的智慧發射器變送器演示方案框圖

  

主信號鏈

ADI公司提供的高性價比輔助解決方案(中低端市場)

中低端市場的客戶往往比較在意成本控制,對於這種情況ADI公司也可以提供2種額外的高性價比解決方案,也就是下文所述的採用ADuCM360和AD693的解決方案。HART數據機AD5700也可以是這些電路的一種常見變化形式。

 

                                                                   圖4:採用AduCM360 PWM的高性價比解決方案

 

由於ADuCM360包含高解析度16位PWM,因此可以通過簡單的RC濾波器、放大器和電晶體輕鬆實現4 mA至20 mA的輸出。這是低端智慧變送器客戶很常用的一種解決方法。

 

除了智慧變送器解決方案之外,ADI公司還提供純模擬環路供電變送器解決方案AD693,這是一種非常經典的單晶片感測器變送器解決方案,可實現各種信號調理,例如熱電偶、RTD和壓力信號輸入。

 

                                                                   圖5:採用AD693模擬變送器的高性價比解決方案