智能4-20mA变送器设计(06-100)

　　对于智能变送器系统，隔离壁垒可放置在微控制器和数字化传感器数据之间。用磁耦合器跨接壁垒进入数据传输，这是一个好的替代光耦合器方法，它具有如下优点：

　　·较低的功率可使热耗降低；

　　·性能更可靠(无LED老化或温度灵敏度)；

　　·数据率较快；

　　·一个器件上有多个通道，使空间显著缩小；

　　·DC精度较高。

　　数字隔离器(如ADI公司的ADuM101)简化了ADC和控制器之间的3线串行接口通信，并拥有一个附加通道，使其包含数据读回功能(图3)。

　　在智能变送器中，微控制器功能分担获得主机测量信号、存储变送器的信息、管理通信系统(通信系统可以把两路通信放在用于承载测量信号的同一电路上)的任务。智能变送器包含共同采用的HART协议。
　　
　　适当地调理数字化数据后，用DAC通过4-20mA电流环进行传输，图4示出如何用DAC、电阻器和MOSFET EFT产生数字控制的4-20mA电流环。用于控制4-20mA电流环的DAC必须是高精度、低功率、低电压，并且能控制外部MOSFET的栅板电压及内部放大器，使设计任务简化。DAC上的SPI、QSP1、I2C和Microwire兼容接口简化了接口连接，使其可与当今的大多数处理器和控制器一起使用。

　　这些配置唯一缺点是需要驱动外部MOSFET，这需要很高的电源电压。大多数工业应用提供支持3V和5V逻辑控制和传感器的低和高电压，而传感器可能需要高达36V(额定值24V)电压。在图5中，外部MOSFET驱动电流环，其驱动电流由下式确定：

　　其中Rsense为50Ω感测电阻器，N是DAC的分辨率，D是输入码的十进制等效值(表示处理之后的传感器数字化输出)。对于AD5660 DAC，串行输入分辨率是16位，满标范围是2N=216=65536。对于1.25V基准、50Ω感测电阻器和满标DAC输出D为65536，输出电流Iout=Vref/Rsense=1.25V/50Ω=25mA。在大多数应用中，电流环必须能给出10%或更大的过范围值。

　　对于处理远程位置而无本地电源的变送器(如流量表)，电路必须由4-20mA环供电。此时，应用需要电压稳压器，变换环电压到各种传感器电路工作所需的固定3V/5V电压。电压稳压器可以是任何低成本器件，其静态电流要远远低于4mA。

　　结语

　　越来越多的工业自动化应用在精确测量、控制不同过程和传输数据方面需要低功率转换器。这些末端应用需要有增加性能，耐用和特性的产品，同时降低成本和板大小。智能4-20mA变送器正是这种器件。元件制造商正在解决这些问题，正在为现在和将来的系统设计人员提供大量转换器和隔离产品。(京湘)