远程现场仪表的设计与应用

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远程现场仪器是一种用于感知物理参数(如压力或温度)的设备。该测量被转换为4-20 mA范围内的信号电流，该电流与测量变量成正比。4- 20ma标准为过程仪表的发展提供了一个良好的平台。其优点包括:

• 测量信号不受回路电阻变化的影响;

• 一个制造商的变送器可以与其他制造商的变送器互换;和

• 使发射机电路通电所需的功率可以从回路电压中得到。

包含数字通信通道的现场仪器被称为“智能”和“智能”。

解决前端问题

远程现场仪器的设计人员面临的挑战是如何在提高精度和功能的同时，降低系统设计中的功耗、成本和布局面积。远程仪器的前端数据采集部分必须测量来自压力桥、rtd或热电偶等传感器产生的小信号，并将这些信号解析为16位或更高的分辨率。典型的压力传感器灵敏度为3 mV/V，使用5 V激励时，最大输出为15 mV。

在提供16位分辨率的数据采集中，必须检测到换能器输出电压的230 nV变化。设计此类系统所涉及的主要任务包括对传感器输出信号进行信号调理，获取和处理信号以达到所需的分辨率和精度，以及集成解决方案。

传统的数据采集系统由独立的元件组成，分别对输入传感器的信号进行多路复用、信号调理、滤波和数字化处理。集成降低了电路板面积要求和与低信号级模拟设计相关的布局问题。它还降低了系统成本并提高了性能。结合开关电容和sigma-delta技术的设计技术的最新进展使低成本，低功耗，高精度和集成的解决方案成为可能。

图1显示了一个完整的模拟前端解决方案，其特点是通过微控制器的三线串行接口控制直接换能器接口。集成数据采集系统，无论是单通道还是多通道，都为低频应用提供了完整的模拟前端目标。这些器件提供可编程增益，全差分模拟输入级和模拟-数字转换器，具有高达24位分辨率的性能，无丢失代码。

片上校准功能消除了器件和系统中的增益和偏移误差。由温度漂移引起的误差也可以校准。串行接口允许系统用三根电线操作，从而允许用三个光耦合器实现隔离。设备可以处理从20 mV到2.5 V单极或双极的输入信号，允许直接换能器接口，而不需要信号调理电路。功耗是决定组件选择的关键规格，使用该集成解决方案通常为500 mA。系统级器件可用于小轮廓表面贴装器件，用于封装尺寸至关重要的应用。

连接发射机和回路的电子电路实现两个主要功能;

• 从回路给发射机供电;和

• 控制回路电流以表示过程变量。

在后者的情况下，这可能是直流或交流传输。

提供发射机电源

发射机的电子设备运行在一个非常微薄的电力比例。它们是环路供电的，必须“活”在信号范围的最小传输电流水平以下。电路可以生活在这个功率预算(通常)线性调节将环路电源转换为内部电子器件的工作电源。

在发射机电子设备的总静态电流低于系统定义的低报警水平时，使用具有低差的线性稳压器。由于大多数回路电流控制电路使用电流增强技术，因此不可能将控制电流降低到发射机电子功能所需的静态水平以下。

不能在3.5 mA电流预算内运行的发射机必须使用更有效的方式产生工作功率。这通常意味着使用a开关式稳压器．开关技术用于提供更有效的电力传输，其中:

断电=电源在X稳压器效率。

这允许用户降低输出电压，并在电子器件中提供比从回路中提取的电流高的电流。

控制回路电流

在传统的模拟、智能或智能变送器中，回路电流控制是至关重要的。它是将过程变量(PV)测量从远程变送器传递到控制主机的回路电流。在智能发射机的情况下，有一种模式，他们可以传输的光伏数字。然而，它通常以模拟电流的形式传输。传统的电流控制电路使用电流伺服技术，其中控制电流或电压用作控制回路电流的设定值。

有几种方法可以提供设定值电流或电压来控制回路电流。电路可以被定义为数模转换器(DAC)，因为它们采用计算机生成的设定值并将其转换为模拟电流或电压，当应用于电流伺服电路时，将导致所需的电流在环路中流动。在这些应用中可以使用几种类型的dac:脉宽调制器(PWMs)， R/2R梯形dac或Sigma Delta dac。选择用于变送器应用的DAC电路的主要标准是它必须是12位精度，总未调整误差在0.025%以内，见随表。

小就是美

用户可以为发射机应用选择单独的专用功能模块，或者他们可以考虑系统级设备，将许多所需的系统功能组合到单个集成电路中。

Analog Devices的系统级器件提供16位分辨率Sigma-Delta DAC，电流控制放大器和伺服电路(其设定值由DAC产生)，两个用于DAC和其他电路的精度参考，以及用于从环路产生稳压电源的稳压器。这种装置的优点之一是相对于分立解决方案它的小尺寸。它还提供了一个易于使用的，完全指定的环路接口，可以从微控制器使用SPI接口进行控制。图2显示了在一个典型的发送器应用程序中配置的这些设备之一。

隔离和本质安全

使用现代远程发射机的一个关键因素是适合在危险环境中操作。设计人员必须考虑在变送器设计中实现电流隔离和本质安全。在智能变送器设计中，本质安全或隔离可以纳入以下两个领域之一:

• 在发射器本身内部，将前端数据采集电路与发射器的其余部分隔离;和

• 在集散控制系统和变送器之间的4- 20ma回路上。

智能变送器应用需要变送器本身以及模数转换器(ADC)和微控制器之间的隔离。这使得即使在换能器接口被电损坏时，发射机智能也能继续工作。屏障放置对电源和功耗都有影响。DC-DC变换器或变压器的隔离可以对隔离侧的驱动元件进行隔离。由于前端ADC位于屏障的隔离侧，除了隔离电源外，还需要至少三个光耦合器来隔离数字接口。

回路隔离的主要功能是防止电力从危险环境转移到非危险环境或反之亦然．如果智能变送器与回路隔离，则回路隔离将防止变送器因非危险端故障而损坏。

好处

集成的系统级解决方案有许多优点;最明显的是单个设备取代了复杂的离散子系统。这也意味着减少噪声或干扰的印刷电路板(PCB)布局不那么复杂，这对于必须消除或最小化噪声的传感器接口电路至关重要。集成解决方案还提供比分立解决方案更好的规格和误差预算控制，因为误差源(偏移、增益误差、漂移等)可以在IC制造过程中纠正。

这些好处中的许多都可以在商用组件中获得。这些表面贴装器件具有小封装轮廓，可在环路供电操作的功率预算内实现PCB空间节省和低功耗要求。

有关Analog Devices b.v.的更多信息，请访问www.globalelove.com/info。

DAC架构的比较

DAC类型	优势	缺点
脉宽调制器	低成本易于分离	难以调试需要广泛的过滤
/ 2 R梯子	精度高	- - - - - -
σδ	最高精度	需要输出反图像滤波

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