环路供电变送器设计权衡考量

　　摘要：环路供电变送器已经从纯粹的模拟信号调理器发展为高度灵活的智能变送器，但所选择的设计方法仍取决于系统的性能、功能和成本要求。本文提供了三种不同的经基准测试的变送器设计。

　　在环路供电设计中，4~20mA的环路同时提供电源和数据，所以系统回路的工作电流必须小于4mA。事实上，小于或等于3.6mA的电流是比较典型的目标值，这是由于其对于环路属于低报警电流。设计中的其它重要考虑因素是最终性能、功能、尺寸和成本。

　　我们讨论的第一个电路(图1)采用纯模拟信号链。

　　该电路测量一个由5V基准电压源供电的阻性电桥压力传感器。通过一个仪表放大器放大传感器信号。其电压输出通过R1转换为电流，并汇合了经由R2产生的偏置电流。该电流流经R3，并通过运算放大器配置放大，经R4形成4~20mA输出。由于整个变送器所消耗的电流都经R4返回，所以其包括在4~20mA调节电流中，向电路环路供电。

　　利用0.1%容差的电阻，该电路就可将25℃时的最高精度提高1%以上。校准可大大地提高精度，通过调整R1和R2可分别实现失调和增益校准。 然而，精度仍受限于传感器性能和元件温度漂移，这是因为电路无法轻易实现对温度或传感器线性化的校准。

　　该电路功耗小于1.9 mA(不包括传感器激励)，远低于4 mA的目标值。

　　总的来说，纯模拟变送器可提供简单、低成本的解决方案，但是传感器无法进行线性化处理，它也无法提供温度校准及诊断，对于传感器和输出范围的任何变化都需要改动硬件。

　　纯模拟电路的许多缺点都可以通过添加数字处理功能(如图2所示)来解决。

　　该电路测量一个RTD温度传感器，其由电流源供电。在RTD和精密电阻R1间进行比率测量。 RTD信号采用PGA进行调理，并通过24位Σ-Δ ADC转换为数字输出。利用ARM 7微控制器处理该数据，可实现对温度传感器和4~20 mA输出的校准和线性化。

　　该4~20mA输出通过PWM信号控制，可实现12位分辨率。虽然与之前的架构类似，但输出采用了运算放大器的同相端作为4~20mA环路的控制电压。1.2V基准电压源协同R2在环路中产生24mA的等效电流。这意味着PWM 0V的控制电压产生24mA输出。输出电流随PWM上控制电压的增大而减小。 对于4 mA的电流输出，PWM应当设置为500mV。 该技术的优点就是PWM无需缓冲，这降低了功耗和成本。

　　整个RTD温度变送器的功耗在25℃和85℃时的测量值分别是2.73mA和3.13mA(不包括传感器激励)。该电路符合功耗要求，但是若包括传感器激励电流，则几乎没有电流可用于其它诊断或附加特性。