变送器是一种现场安装的设备，它可以感知物理参数，如压力或温度，并在标准范围内产生与测量变量成比例的电流，范围为4至20 mA。在双绞线环路中以电流形式提供输出有许多优点:测量信号对噪声不敏感，不受环路电阻变化的影响;符合标准的变送器可以互换;并且为发送电路供电所需的功率可以从远程供电的环路电压中获得。图1显示了一个传统的发射机电路，由电源、电流操纵发射机和接收控制器组成。

变送器设计响应了用户对提高性能和多功能性的要求，并降低了成本和维护。第二代“智能变送器”有一个微处理器(和数据转换)，提供远程内存和计算能力(图2)。它可以远程调节信号，然后将其转换为电流并将其传输回控制器。例如，它可以将增益和偏置归一化，将已知非线性的传感器(如rtd和热电偶)线性化，通过转换为数字，用μ P中的算术算法进行处理，转换回并作为标准电流在环路上传输。这减少了控制室的信号处理负担，如果必须处理大量信号，这是一个很大的优势。

第三代“智能和智能”发射机增加了数字通信，与传统的4- 20ma“直流”信号共用同一条双绞线(图3)。该通信通道允许通过双绞线传输测量变量的两个和数字版本，以及与发射机相关的控制信号和诊断数据，如校准系数、设备ID和故障诊断相关数据。发射机故障可以远程诊断，这对处于危险位置的发射机非常有用。

Hart协议是智能发射机实际使用的通信标准。它采用频移键控(FSK)调制，基于贝尔202标准。数据以1200比特/秒的速度传输，在2.2千赫(“0”)和1.2千赫(“1”)之间切换。

智能变送器设计的元件选择:图4显示了实现图2智能变送器的电路。下面几节讨论了智能变送器的设计因素和备选方案。除了低成本之外，最重要的限制是整个电路消耗小于3.5 mA(“低报警”设置，低于4 mA信号层0.5 mA)，以允许发射器环路供电。

A / D转换器:选择ADC的其他主要标准有:

• 高度集成，减少前端组件数量

• 高分辨率，满足系统分辨率要求;精度

• 单电源操作在3-V或5-V电源

• 校准功能，允许消除由于时间和温度漂移的组件或系统误差。

AD7713、AD7714和AD7715符合这些标准，适用于任何智能发射机的前端。

的AD7714是针对低频应用的完整多通道(3个差分，5个单端)前端。它可以直接接受来自传感器的低电平信号(图5)，具有片上可编程增益放大器(PGA)，可配置增益从1到128。在大多数使用AD7714的应用中，前端仪表放大器是不必要的。

参考值可由传感器的激励电压导出，用于比率测量应用。

它的sigma-delta架构具有高达24位的无丢失代码性能。操作来自单个3伏或5伏电源，消耗650µa (<5µA(下电模式)。AD7714有一个差分参考输入。它的输入信号范围从0到+ 20mv到0到+2.5 V，单极，取决于PGA增益设置，和±20mv到±2.5 V双极。它的串行接口可以配置为易于隔离的3线操作，由智能发送电路中的微控制器。

µC可以定期进行校准，消除器件本身或整个系统中的增益和偏移误差-以及随时间和温度的漂移。校准功能包括自校准，背景校准，&系统校准。片上校准寄存器允许oem在工厂进行校准，将系数存储在内存中，并将其重写到现场的设备中。

的AD7715AD7714本质上是一个16位、1通道版本的AD7714，具有其所有功能，包括PGA和输入信号范围、差分参考、校准功能、3-V或5-V单电源操作和3线串行接口。

AD7713的是一个用于低频测量的24位完整前端。它的两个低电平差分输入通道可以直接从传感器接收信号。它还接受高级(最多是引用的四倍)单端输入。它有一个差分参考输入，两个片上电流源可用;它们可用于3线和4线电阻温度检测器(RTD)电路的激励。增益设置、信号极性和RTD电流控制可以通过双向串口在软件中配置。AD7713还能够自校准、系统校准和背景校准，以消除零和满量程误差。

ADC选择表

微控制器:微控制器(µC)是智能变送器的引擎;它控制着从传感器到回路电流的整个信息传输。µC的内存和处理能力使得周期性校准、信号调理、误差校正、温度补偿和线性化成为可能，所有这些都是在远程位置由环路电压供电。除了低成本和低功耗外，智能变送器的µC还应具有以下特性:

• 内存。它应该包含足够的ROM和RAM来实现所有软件功能(引导程序和数据处理)，而不需要外部存储器;这样可以减少系统中的组件数量、电路板空间和功耗。

• 串行通信端口提供与输入ADC和输出DAC的内部接口，用于控制和数据传输。电隔离很容易实现与几个光隔离器。

• 低时钟速度，以尽量减少功耗，这通常是成正比的时钟速度在CMOS器件。

表中建议采用具有足够片上内存和足够低功耗的µc，以从环路供电，并实现典型发射机所需的“智能”功能。

单片机的选择

D / A转换器:在智能变送器中，DAC是驱动和控制回路电流的手段。我们将在这里考虑的例子涉及2线，远程供电发射机

D/A转换器和电流环路控制电路应具有与前端调理电路和ADC相当的分辨率;DAC应该是单调的，因为过程变量(PV)可能是控制回路的一部分。这些，再加上足够低的电源电流，以保持回路电源的总远端漏极低于3.5 mA，是最低要求。DAC电路的指定漏电流当然必须包括精度基准电流和输出放大器的静态电流。工作温度范围必须足以维持所需的总体规格，在工业环境中没有过度的漂移。其他要求:

• 一个高度集成的芯片，整体组件减少

• 分辨率高，满足系统分辨率和精度要求

• 单电源操作在3-V或5-V电源。

AD421和AD422单片集成电路专为工业电流环控制应用而设计。这两种设备都提供远程发射机操作所必需的功能。

AD421 *是一个环路供电的电流控制西格马 - 得尔塔 DAC，在BiCMOS中实现，具有高分辨率和精度。它是完整的两个精度基准和一个电压调节器。DAC具有16位分辨率，适用于4至20 mA (16 mA跨度)编程范围，并可选地在0-32 mA范围内编程报警电流。DAC输出为AD421内的环电流控制电路提供设定值。该电路通过测量返回电流和操纵在其Boost端子处绘制的电流来服务环路电流以跟踪其设定值。1.25 v和2.5 v精密参考，激光修整和温度补偿低漂移，消除了任何需要独立参考。它们可以用作DAC (2.5 V)和ADC的参考输入。

*在大多数工业应用中，电源和信号(或过程变量)共享到远程位置的相同线路。4-20 ma接口可用于传输测量变量或发送命令信号到阀门或执行器。执行器可能会使用比4- 20ma环路信号更大的功率，因此它们通常连接为四线设备，两线用于命令信号，另一对用于为设备供电。

AD421集成了一个可调电压调节器，为整个远程发送电路供电，包括AD421本身。该调节器具有3-V, 3.3 V和5-V操作的可选设置，并且可以编程为3至5 V的任何电压，具有合适的外部电阻。需要一个外部耗尽模式通管来实现这个稳压器功能;它必须能够提供变送器所需的总电流。AD421采用小轮廓表面贴装封装，非常适合拥挤的防爆外壳。

除了集成的优点外，另一个好处是器件的电流环控制性能是指定的，避免了计算涉及多个器件的误差预算的需要。AD421具有SPI型三线接口，允许与大多数微控制器进行简单高效的接口，并且如果需要从传感器进行电流隔离以实现本质安全，则需要最少数量的光隔离器。

AD421设计用于智能和智能发射机应用。智能变送器(图4)虽然是数字化的，但在16毫安(4-20毫安)的范围内，简单地产生与过程变量成比例的回路电流。智能发射机增加了另一个功能维度(见侧栏)。发射器既可以在电流环路上以形式发送PV信号，又可以通过调制回路中的电流来发送和接收数字信息。使用调制解调器电路发送和接收数字信号，调制解调器电路将数字电平转换为调制电流并将接收到的调制电流转换为数字1和数字0。AD421可以与独立调制解调器接口;它的电流控制环路部分为调制信号提供了一个合适的输入节点，用于从外部HART调制解调器(如Symbios Logic的20C15)耦合。独立的调制解调器通过数字接口连接到微控制器或UART，如图6所示。

一种新设备AD422，降低了使用HART协议的智能发送器的物理复杂性。它将AD421的功能模块(电压调节器，DAC，电流控制回路和参考)与HART调制解调器和几个监控电路(看门狗定时器，报警输入和复位发生器)结合在一起，所有这些都在单个芯片上!它是一种高度集成的解决方案，专门针对智能变送器的设计(图7)，大大减少了组件数量。

Hart协议

工业应用中4- 20ma电流回路通信的实际标准是公路可寻址远程传感器(HART)协议，该协议最初由Rosemount公司开发，但现在由HART基金会为一般社区提供支持。该协议改编自Bell 202频移键控(FSK)电话标准:环路电流以1200比特/秒的速度作为两个相位连续频率之一传输，1.2 kHz -“标记”(1)或2.2 kHz -“空间”(0)。适当滤波后，交流信号不影响测量的直流值。HART实现了一个主/从协议;远程“从”设备只有在被主设备寻址时才会响应。

由于智能变送器是远程仪器，除了光伏信号之外没有其他通信手段，因此无法询问其状态信息(但对于输出电流小于4 mA或大于20 mA的情况，可以使用额外的报警位)。而智能发射机可以与控制室进行交互通信，以便随时查询详细的状态信息。HART电路可以取代现有的智能或发射机安装，而无需运行新的布线——这是一个主要的优势，因为大部分现有的发射机安装可以通过简单地用HART兼容的发射机替换现有的发射机来升级。智能变送器还可以提高过程控制回路的性能。例如，控制室可以远程“修剪”传感器输出。变送器通常能够测量两个过程变量(主要和次要过程变量)，而不是可以通过简单的4到20 ma接口传输的单个PV。智能发射器可以在两个pv上发送信息，以及其他相关信息。HART配置还可以单独具有数字通信功能;电流仅被用作数字信息的载体。

该协议有许多层，与七层OSI模型密切相关。来自Devices的AD422是物理层的解决方案;其他的则在软件中实现。