工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)路供電儀器儀表的四大關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

作為工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的“千里眼、順風(fēng)耳”，可在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度、壓力、流量、液位、位置、角度、酸堿度(pH)、含氧量、氣體探測(cè)、腐蝕情況等等這些過(guò)程控制變量的儀器儀表或智能變送器（傳感器）和其他工業(yè)系統(tǒng)一樣，正在朝著更高的效率、更佳的魯棒性、更高的通道密度、更快的速度向前發(fā)展，這相應(yīng)促進(jìn)了半導(dǎo)體器件新技術(shù)方案的發(fā)展。

具體來(lái)說(shuō)，如今的儀表和變送器外殼正變得越來(lái)越小，因此對(duì)半導(dǎo)體器件提出了如下一些要求：1.需要更小的器件；2.需要更高的集成度；3.需要額定溫度更高的器件；4.需要效率更高的器件；5.安全要求更高的器件—診斷；6.處理要求越來(lái)越高，MCU既需要功耗更低也需要具備更強(qiáng)的處理能力。

圖1：典型的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表通常是通過(guò)傳感器感知現(xiàn)場(chǎng)一些物理以及化學(xué)的變量，并將信息發(fā)送至PLC控制模塊（如圖1左下側(cè)所示）。一般變送器分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是環(huán)路供電型，采用兩線式連接，同時(shí)提供電源和通信，從控制室通過(guò)電流環(huán)路供電，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)傳送器，整個(gè)傳送器的工作電流必須小于3.2mA，而對(duì)于支持HART的變送器則必須小于2.7mA。另一類(lèi)是非環(huán)路供電型，采用4線式連接，兩條用于電源，兩條用于通信，無(wú)功耗限制，用于無(wú)法從電流環(huán)路獲取足夠電源的情況。

兩線制的連接就是4mA到20mA的環(huán)路，儀表的電源和傳送的信息都是在這兩根線上提供的，通常規(guī)定的最小電壓是要≥12V，最小的工作電流必須小于4mA，這樣它的總可用功率就很小（50mW），顯然符合工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)更高效率的發(fā)展需求。但這對(duì)半導(dǎo)體器件選擇和電路設(shè)計(jì)的低功耗提出了很高的要求，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中要求會(huì)更嚴(yán)格。

以環(huán)路供電壓力變送器為例，其信號(hào)鏈電路組成如圖2，輸入部分包括了儀表放大器、ADC、微處理器、MCU；輸出部分DAC驅(qū)動(dòng)是二環(huán)的輸出，并從環(huán)路上取得電，然后再把它變成電壓形成電源電路，同時(shí)還包括有LCD顯示人機(jī)界面、系統(tǒng)的整個(gè)時(shí)鐘等等。整個(gè)電路系統(tǒng)可用的功率必須要小于50mW，實(shí)際應(yīng)用中要求更嚴(yán)格，總系統(tǒng)工作電流必須小于4mA，包括傳感器/ADC/MCU/4mA至20mA電路電源，每種器件都要求消耗盡可能低的功耗。

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圖2：現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表信號(hào)鏈——環(huán)路供電壓力變送器。

因此，回到文章開(kāi)頭提到的，現(xiàn)在過(guò)程控制系統(tǒng)需要更小尺寸、更高集成度的度器件，其工作溫度范圍要更寬，效率更高，而且對(duì)安全性的要求也更高，處理器的能力要求更高、功耗需更低。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域擁有40余年的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)的ADI公司為環(huán)路供電的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表/變送器提供了滿足這些要求的優(yōu)秀半導(dǎo)體器件方案，本文將根據(jù)圖2信號(hào)鏈中的四大關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需求和挑戰(zhàn)，逐一解析ADI方案的特色和優(yōu)勢(shì)。

一、低功耗Σ-Δ型內(nèi)核集成式模擬前端

適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端方面，集成了儀表放大器和高精度∑-△型ADC的低功耗AD779X系列是非常成功的產(chǎn)品系列，包括AD7791/92/93/94/95/96/97/98/99等9種型號(hào)。它們內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位/24位Σ-Δ型ADC，其中含有3個(gè)/6個(gè)差分模擬輸入，利用片上的MUX來(lái)切換多路通道；還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)。它們還內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。其它片內(nèi)特性包括可編程激勵(lì)電流源、熔斷電流控制和偏置電壓產(chǎn)生器。這幾乎就是在一顆芯片上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的模擬前端，只需極少的外圍芯片直接就可以去處理熱電阻或熱電偶的信號(hào)，適用于壓力傳感器或熱電偶傳感器（冷結(jié)補(bǔ)償）等應(yīng)用。

AD779X系列工作電流極低300μA至450μA），因而可實(shí)現(xiàn)極低的功耗；可以采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過(guò)軟件編程設(shè)置（4SPS至500SPS）；同時(shí)具備卓越的失調(diào)和漂移規(guī)格，片上數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)50Hz和60Hz同時(shí)抑制。