環(huán)路供電變送器已經(jīng)從純粹的模擬信號(hào)調(diào)理器發(fā)展為高度靈活的智能變送器，但所選擇的設(shè)計(jì)方法仍取決于系統(tǒng)的性能,、功能和成本要求,。

在環(huán)路供電設(shè)計(jì)中，4 mA到20 mA的環(huán)路需要同時(shí)提供電源和數(shù)據(jù),，并且系統(tǒng)回路的工作電流必須小于4 mA,。事實(shí)上，小于或等于3.6 mA的電流是比較典型的目標(biāo)值,，主要用于環(huán)路屬于低報(bào)警電流,。設(shè)計(jì)中的其它關(guān)鍵因素還需要考慮目標(biāo)性能,、功能,、尺寸和成本,。我們討論的個(gè)電路采用純模擬信號(hào)鏈。

該電路測(cè)量是一個(gè)由5 V基準(zhǔn)電壓源供電的阻性電橋壓力傳感器,。通過(guò)一個(gè)儀表放大器放大傳感器信號(hào)。其電壓輸出通過(guò)R1轉(zhuǎn)換為電流,，并匯合了經(jīng)由R2產(chǎn)生的偏置電流。該電流流經(jīng)R3,，并通過(guò)運(yùn)算放大器配置放大,，接著經(jīng)R4形成4 mA到20 mA的輸出。由于整個(gè)變送器所消耗的電流都經(jīng)R4返回,，所以其包括在4 mA 到20 mA的調(diào)節(jié)電流中,，向電路環(huán)路供電。

利用0.1%精度的電阻,，該電路在25°C條件下的高精度可優(yōu)于 1%,。校準(zhǔn)可大大地提高精度，而且通過(guò)調(diào)整R2和R1可分別實(shí)現(xiàn)失調(diào)和增益校準(zhǔn),。然而，精度仍受限于傳感器性能和元件溫度漂移,，這是因?yàn)殡娐窡o(wú)法輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度或傳感器線性化的校準(zhǔn),。該電路功耗小于1.9 mA（不包括傳感器激勵(lì)），遠(yuǎn)低于4 mA的目標(biāo)值,。

總而言之,，該純模擬發(fā)射器提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。不過(guò),，該傳感器無(wú)法線性化,，它不提供溫度校準(zhǔn)，也不提供診斷功能,。傳感器或輸出范圍的任何變化也需要變動(dòng)硬件。

純模擬電路的許多缺點(diǎn)都可以通過(guò)添加數(shù)字處理能力來(lái)解決,。

該電路測(cè)量一個(gè)RTD溫度傳感器,，使用電流源供電，在RTD和精密電阻R1間進(jìn)行比率測(cè)量,。RTD信號(hào)可采用PGA進(jìn)行調(diào)理，并通過(guò)24位Σ-? ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出,。利用ARM7微控制器處進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器和4 mA到20 mA輸出的校準(zhǔn)和線性化。

該4 mA到20 mA輸出通過(guò)PWM信號(hào)控制,，可實(shí)現(xiàn)12位分辨率,。雖然與之前的架構(gòu)類(lèi)似，但輸出采用了運(yùn)算放大器的同相端作為 4 mA到20 mA環(huán)路的電壓控制,。1.2 V基準(zhǔn)電壓源協(xié)同R2在環(huán)路中產(chǎn)生24 mA的等效電流。這意味著PWM 0 V的控制電壓產(chǎn)生24 mA 輸出,。輸出電流隨PWM上控制電壓的增大而減小,。對(duì)于4 mA的電流輸出，PWM應(yīng)當(dāng)設(shè)置為500 mV,。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是PWM無(wú)需緩沖,，這降低了功耗和成本。

整個(gè)RTD溫度變送器的功耗在25°C和85°C時(shí)的測(cè)量值分別是 2.73 mA和3.13 mA （不包括傳感器激勵(lì)）,。該電路符合功耗要求,，但是若包括傳感器激勵(lì)電流或者其它診斷或附加特性，則幾乎沒(méi)有電流可用,。

雖然成本略高于純模擬變送器,，但其實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器和輸出的校準(zhǔn)和線性化，使精度有了顯著的提高,。它還可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)診斷功能，并且在軟件中考慮傳感器類(lèi)型變化也很容易,。

不過(guò),，仍存在一些局限性：4 mA到20 mA環(huán)路只能傳輸主變量（本例中為溫度）,，不能傳輸其他信息。附加的診斷和系統(tǒng)功能雖在功耗預(yù)算范圍內(nèi),，卻可能無(wú)法實(shí)現(xiàn),；更高的輸入性能可能使4 mA到20 mA輸出驅(qū)動(dòng)器成為顯著的系統(tǒng)誤差來(lái)源,。

該電路是真正的智能變送器。除了提供性能,，它還允許通過(guò)可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道（HART）協(xié)議在4 mA到20 mA環(huán)路上進(jìn)行雙向通信。通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)的4 mA到20 mA模擬信號(hào)上調(diào)制出更高頻率的1.2 kHz,、2.2 kHz頻移鍵控（FSK）數(shù)字信號(hào),，HART協(xié)議可運(yùn)行于傳統(tǒng)的低頻環(huán)路,。此外，HART通信支持診斷信息,、器件參數(shù)和其它測(cè)量信息的遠(yuǎn)程配置傳輸。

ADuCM360通過(guò)具有片內(nèi)PGA的雙通道,、精密24位 Σ-? ADC對(duì)壓力傳感器和RTD進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量,。低功耗Cortex-M3內(nèi)核可校準(zhǔn)和線性化處理壓力傳感器輸入，RTD則用于溫度補(bǔ)償,。該微控制器還運(yùn)行HART協(xié)議堆棧,，并且采用 AD5700 HART物理層調(diào)制解調(diào)器通過(guò)UART進(jìn)行通信。

，該微控制器通過(guò)SPI與AD5421環(huán)路供電DAC進(jìn)行通信,，以控制4 mA到20 mA環(huán)路。AD5421是集成的環(huán)路供電4 mA到20mA DAC,；它包括環(huán)路驅(qū)動(dòng)器,、16位DAC、環(huán)路調(diào)節(jié)器和診斷特性,。

ADC在50 SPS下運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器輸入可實(shí)現(xiàn)18.5位有效分辨率,。在輸出端,，AD5421保證提供16位分辨率和2.3 LSB的INL,。

整個(gè)電路功耗典型值為2.24 mA （不包括傳感器激勵(lì)）,，其中AD5421 的功耗為225 μA、AD5700為157 μA,、ADuCM360為1.72 mA，剩余的為片內(nèi)LED等其他電路的功耗,。ADuCM360的24位Σ-? ADC和PGA 出于開(kāi)啟狀態(tài),，并且外設(shè)使能包括：片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源,、時(shí)鐘發(fā)生器、看門(mén)狗定時(shí)器,、SPI,、UART、定時(shí)器,、閃存、SRAM以及工作頻率在2 MHz的內(nèi)核,。HART通信的功耗極低,，因而可以在該系統(tǒng)中輕松添加其它系統(tǒng)診斷等功能。

以上電路中均未涉及隔離問(wèn)題,。在熱電偶發(fā)射器應(yīng)用中,，裸露的傳感器可能直接綁定在金屬表面，因此隔離尤為重要,。光耦合器是一種解決方案，然而它們通常需要一個(gè)相對(duì)較大的偏置電流來(lái)確保可靠的特性,。新器件 ADuM124x 和 ADuM144x 2通道/4 通道微功耗隔離器能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

這些器件每通道的靜態(tài)電流和動(dòng)態(tài)電流分別僅為0.3 μA和148 μA/ Mbps,。它們能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離,，以前由于功耗限制則無(wú)法做到。

總之,，環(huán)路供電變送器設(shè)計(jì)可根據(jù)性能,、功能和成本有很多變化,。上述三種解決方案提供了不同的設(shè)計(jì)權(quán)衡考量，從簡(jiǎn)單的模擬發(fā)射器到功能豐富的智能變送器,。在智能變送器設(shè)計(jì)中,，新款的低功耗產(chǎn)品將性能,、功能和集成提升到之前無(wú)法達(dá)到的水平。