功耗：智能变送器设计的主要考虑因素
在所需功率预算内设计具有 4 ma 至 20 ma 模拟输出和 hart（高速可寻址远程传感器）接口的环路供电现场仪表可能具有挑战性。现代现场仪表，也称为智能变送器，是基于微处理器的智能设备，用于监控过程控制变量。随着越来越多的处理能力被分配到现场领域，这种现场设备变得越来越智能。这种附加智能的结合，以及增强的功能和诊断能力，增加了开发能够在4 ma至20 ma环路的有限功率内有效运行的系统所涉及的挑战。本文探讨了系统设计人员面临的功耗挑战，并深入探讨了adi公司开发并在hart通信基金会注册的示例解决方案如何在整体系统级和智能发送器设计的基本信号链元件中应对这一挑战。
图1.智能发射器信号链。
任何变送器最重要的元素是主传感器及其最佳操作，以提供被测环境参数的最准确表示。主变量通常依赖于次变量（例如，压力传感器的温度补偿）。在图2所示的示例中，传感器是阻抗为5 kω的阻性电桥，所选工作模式为连续3.3 v电压激励。这导致传感器消耗660 μa的总系统功率预算。
图2.启用hart的现场仪表演示框图。
aducm360精密模拟微控制器集成了两个具有可编程增益的低噪声精密仪表放大器。放大器针对尽可能低的功率进行了优化，其级仅在需要获得所需增益时才开启。这允许在电路的性能和功率要求之间进行最佳权衡。在本文描述的示例电路中，主传感器的激励电压仅为激励电压的一半，信号电平仅为一半，并通过以编程方式将放大器增益从16加倍至32来优化信号链性能。这意味着传感器激励电流可节省330 μa，放大器电源电流增加60 μa，净节省270 μa。在考虑这种权衡时，确实还有其他方面需要考虑;例如，外部电磁干扰期间的传感器信噪比。完全集成的可编程解决方案有助于设计人员更轻松地评估这些选项。
两个 24 位模数转换器 （adc） 对放大的初级和次级传感器信号进行采样，并将其转换为数字域。在图2中，adc集成在aducm360上，并再次针对所需性能所需的最低功耗进行了优化。σ-δ架构提供固有的高分辨率、线性度和精度，而数字滤波器始终包含在σ-δ adc中，允许在所需信号带宽和输入噪声之间进行可编程权衡，后者对可实现的分辨率有直接影响。现场仪器输入通常需要高于 16 位的分辨率，以便在其输出端提供 16 位分辨率。
微控制器用于处理来自所有现场仪表传感器的输入，并计算测量过程变量的结果值。最重要的是，处理器需要执行更多的诊断以及更复杂的通信。在本例中，使用了 32 位 arm cortex-m3 risc 处理器，辅以 128 kb 闪存、8 kb sram 和其他外设，如上电复位功能、时钟生成、数字接口和一系列诊断功能。因此，微控制器是一个复杂的组件，可能需要大量功率，因此每mw可以完成的处理越多越好。®
系统中一个明显的权衡是在微控制器内核速度和电源电流之间进行权衡。通过为每个数字外设（如串行接口和定时器）选择最低的必要时钟频率，可以实现不太明显的节能效果。在本例中，4 ma至20 ma输出更新的最快速度为每1 ms一次。虽然aducm360允许spi接口的最大时钟频率为16 mhz，但使用具有最佳时钟分频器的中等100 khz串行时钟可节省约30 μa的芯片电流。通过降低与印刷电路板（pcb）走线上spi信号的寄生电容和元件引脚电容相关的动态电流，可以节省额外的几μa电流。aducm3上使用的cortex-m360功耗约为290 μa/mhz。它包括非常灵活的内部电源管理选项，能够动态切换电源和时钟速度到内部模块，以实现最佳的系统功耗与性能平衡。
现场仪表4 ma至20 ma输出电流由数模转换器（dac）和输出电流驱动器设置。ad5421集成了16位dac和电流输出级。它还集成了一个精密基准电压源和可编程电压调节电路，这是从环路中提取电源所必需的，以便为自身和发射器信号链的其余部分供电。此外，ad5421还提供多种片内诊断功能，所有这些功能都可以由微控制器配置和读取，但也可以自主工作。即使集成度如此之高，ad5421的最大总电流也仅为300 μa，温度范围内的总未调整误差规格小于fsr±0.05%，从而最大限度地提高了通信测量的粒度和精度，而不会对系统功耗产生不利影响。
最后，与4 ma至20 ma模拟输出相辅相成的是hart调制解调器，它在现代控制系统中起着至关重要的作用，提供与主机系统的数字通信。hart通信允许实现纯模拟通信无法想象的功能。示例包括主机检索仪器的辅助变量、诊断信息或执行远程校准例程。同样，低功耗以及小尺寸是设计hart电路时的重要考虑因素。这里使用ad5700。ad124的典型发射和接收电流分别为86 μa和5700 μa，对仪器总电流预算的贡献不大。hart输出调制输出电流，并通过专用引脚与ad5421内部求和节点接口。hart输入通过一个简单的无源rc滤波器从电流环路耦合。rc滤波器可用作hart解调器的第一级带通滤波器，并提高了系统电磁抗扰度，这对于在恶劣工业环境中工作的稳健应用非常重要。hart调制解调器的时钟由片内低功耗振荡器产生，该振荡器带有一个3.8664 mhz的外部晶体，两个8.2 pf电容接地，直接连接到xtal引脚。此配置使用尽可能少的功率。
图3.完整的4 ma至20 ma环路供电现场仪器，带hart接口。
在检查了完整的信号链之后，很明显，在这样一个每一微安都很重要的应用中，图3所示的hart支持现场仪表演示电路被证明是非常宝贵的。表1概述了该demo-ad5700d2z系统中测量的电流击穿，显示总电流完全在此类设计可用的3.5 ma（“低报警”设置）最大允许系统功率预算范围内。
电路块 电源电流（毫安） 占总电流的百分比
传感器
主传感器（阻性电桥，5.3 v 时为 3 kω） 0.660
次级传感器（rtd，200 μa 激励） 0.200
传感器总计 0.860 28%
aducm360
仪表放大器 1（增益 = 8） 0.130
仪表放大器 2（增益 = 16） 0.130
24位adc 1，包括输入缓冲器 0.140
24位adc 2，包括输入缓冲器 0.140
基准电压源、rtd 电流源基准 0.135
aducm360 模拟电路总计 0.675 22%
微控制器内核 （@ 2 mhz） 和存储器 0.790
spi、uart、定时器、看门狗、其他电路 0.085
时钟发生器 0.170
aducm360 数字电路总计 1.045 34%
ad5421
16 位数字转换器 0.050
v-to-i 驱动程序 0.060
基准电压源 0.050
电源管理、稳压器 0.055
spi、看门狗、其他电路 0.010
ad5421 总计 0.225 7%
ad5700
调制器/解调器（最坏情况，发射） 0.124
时钟发生器（带外部晶体） 0.033
ad5700 总计 0.157 5%
板载其他电路，动态电流 0.138 4%
合并合计 3.100 100%
总之，该解决方案不仅功耗低，而且还是一种高性能解决方案，面积开销最小，更不用说符合hart标准了。它已经过合规性测试、验证，并注册为hart通信基金会批准的hart解决方案。这种成功的注册为电路设计人员在使用电路中概述的组件时注入了信心。aducm360的高集成度可实现高度的灵活性，并将重点从传统的分立元件设计转移到芯片内每个集成模块的最佳利用上。系统设计人员只需更改软件中的电路设置，即使在设计的后期阶段，也可以探索前面描述的权衡取舍。这样可以缩短设计周期，轻松进行电路修改，并调整电路性能，而无需进行昂贵且耗时的pcb修订。
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图1.智能发射器信号链。
任何变送器最重要的元素是主传感器及其最佳操作，以提供被测环境参数的最准确表示。主变量通常依赖于次变量（例如，压力传感器的温度补偿）。在图2所示的示例中，传感器是阻抗为5 kω的阻性电桥，所选工作模式为连续3.3 v电压激励。这导致传感器消耗660 μa的总系统功率预算。
图2.启用hart的现场仪表演示框图。
aducm360精密模拟微控制器集成了两个具有可编程增益的低噪声精密仪表放大器。放大器针对尽可能低的功率进行了优化，其级仅在需要获得所需增益时才开启。这允许在电路的性能和功率要求之间进行最佳权衡。在本文描述的示例电路中，主传感器的激励电压仅为激励电压的一半，信号电平仅为一半，并通过以编程方式将放大器增益从16加倍至32来优化信号链性能。这意味着传感器激励电流可节省330 μa，放大器电源电流增加60 μa，净节省270 μa。在考虑这种权衡时，确实还有其他方面需要考虑;例如，外部电磁干扰期间的传感器信噪比。完全集成的可编程解决方案有助于设计人员更轻松地评估这些选项。
两个 24 位模数转换器 （adc） 对放大的初级和次级传感器信号进行采样，并将其转换为数字域。在图2中，adc集成在aducm360上，并再次针对所需性能所需的最低功耗进行了优化。σ-δ架构提供固有的高分辨率、线性度和精度，而数字滤波器始终包含在σ-δ adc中，允许在所需信号带宽和输入噪声之间进行可编程权衡，后者对可实现的分辨率有直接影响。现场仪器输入通常需要高于 16 位的分辨率，以便在其输出端提供 16 位分辨率。
微控制器用于处理来自所有现场仪表传感器的输入，并计算测量过程变量的结果值。最重要的是，处理器需要执行更多的诊断以及更复杂的通信。在本例中，使用了 32 位 arm cortex-m3 risc 处理器，辅以 128 kb 闪存、8 kb sram 和其他外设，如上电复位功能、时钟生成、数字接口和一系列诊断功能。因此，微控制器是一个复杂的组件，可能需要大量功率，因此每mw可以完成的处理越多越好。®
系统中一个明显的权衡是在微控制器内核速度和电源电流之间进行权衡。通过为每个数字外设（如串行接口和定时器）选择最低的必要时钟频率，可以实现不太明显的节能效果。在本例中，4 ma至20 ma输出更新的最快速度为每1 ms一次。虽然aducm360允许spi接口的最大时钟频率为16 mhz，但使用具有最佳时钟分频器的中等100 khz串行时钟可节省约30 μa的芯片电流。通过降低与印刷电路板（pcb）走线上spi信号的寄生电容和元件引脚电容相关的动态电流，可以节省额外的几μa电流。aducm3上使用的cortex-m360功耗约为290 μa/mhz。它包括非常灵活的内部电源管理选项，能够动态切换电源和时钟速度到内部模块，以实现最佳的系统功耗与性能平衡。
现场仪表4 ma至20 ma输出电流由数模转换器（dac）和输出电流驱动器设置。ad5421集成了16位dac和电流输出级。它还集成了一个精密基准电压源和可编程电压调节电路，这是从环路中提取电源所必需的，以便为自身和发射器信号链的其余部分供电。此外，ad5421还提供多种片内诊断功能，所有这些功能都可以由微控制器配置和读取，但也可以自主工作。即使集成度如此之高，ad5421的最大总电流也仅为300 μa，温度范围内的总未调整误差规格小于fsr±0.05%，从而最大限度地提高了通信测量的粒度和精度，而不会对系统功耗产生不利影响。
最后，与4 ma至20 ma模拟输出相辅相成的是hart调制解调器，它在现代控制系统中起着至关重要的作用，提供与主机系统的数字通信。hart通信允许实现纯模拟通信无法想象的功能。示例包括主机检索仪器的辅助变量、诊断信息或执行远程校准例程。同样，低功耗以及小尺寸是设计hart电路时的重要考虑因素。这里使用ad5700。ad124的典型发射和接收电流分别为86 μa和5700 μa，对仪器总电流预算的贡献不大。hart输出调制输出电流，并通过专用引脚与ad5421内部求和节点接口。hart输入通过一个简单的无源rc滤波器从电流环路耦合。rc滤波器可用作hart解调器的第一级带通滤波器，并提高了系统电磁抗扰度，这对于在恶劣工业环境中工作的稳健应用非常重要。hart调制解调器的时钟由片内低功耗振荡器产生，该振荡器带有一个3.8664 mhz的外部晶体，两个8.2 pf电容接地，直接连接到xtal引脚。此配置使用尽可能少的功率。
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传感器
主传感器（阻性电桥，5.3 v 时为 3 kω） 0.660
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传感器总计 0.860 28%
aducm360
仪表放大器 1（增益 = 8） 0.130
仪表放大器 2（增益 = 16） 0.130
24位adc 1，包括输入缓冲器 0.140
24位adc 2，包括输入缓冲器 0.140
基准电压源、rtd 电流源基准 0.135
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微控制器内核 （@ 2 mhz） 和存储器 0.790
spi、uart、定时器、看门狗、其他电路 0.085
时钟发生器 0.170
aducm360 数字电路总计 1.045 34%
ad5421
16 位数字转换器 0.050
v-to-i 驱动程序 0.060
基准电压源 0.050
电源管理、稳压器 0.055
spi、看门狗、其他电路 0.010
ad5421 总计 0.225 7%
ad5700
调制器/解调器（最坏情况，发射） 0.124
时钟发生器（带外部晶体） 0.033
ad5700 总计 0.157 5%
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