智能变送器能够对增益和偏移进行归一化处理，经过将模仿信号转化为数字信号把传感器线性化，运用微操控器中的算术算法处理信号，然后转化回模仿信号，并将成果作为规范电流沿环路传输。智能变送器还添加了数字通讯功用，与4-20 mA信号共用双绞线。由此发生的通讯通道答应操控和确诊信号随传感器数据一同传输。集成AFE、微操控器、HART®和4-20 mA变送器技能的SoC支撑完结小尺度的4-20 mA智能变送器。
在工业进程监控运用中，4-20 mA电流环路是一种用于发送温度和压力等传感器信息的常用技能。当信息有必要长距离传输到长途方位时，电流环路特别有用，因为信号对噪声相对不灵敏，并能从长途供电电压中获取电力。本文将扼要介绍4-20 mA体系、其开展前史和相关芯片组，该芯片组经过有实际效果的削减外部元件数量来缩小全体解决方案的尺度并进步可靠性。
在简略的4-20 mA体系中（图1），传感器的输出电压先转化为成份额的电流，其间4 mA表明传感器的零电平输出，20 mA表明满量程输出。远端接纳器将4-20 mA电流转化回电压，然后由计算机或显现模块进一步处理。
为了满意职业需求，工程师开发出了智能变送器（图2）。该器材选用微处理器和数据转化器，能够对信号进行长途调度。智能变送器能够对增益和偏移进行归一化处理，经过将模仿信号转化为数字信号对传感器进行线性化，运用微操控器中的算术算法处理信号，将信号转化回模仿信号，并将成果作为规范电流沿环路传输。
外表经过校准并正常作业时，其输出信号应坚持在4 mA至20 mA之间，但有时分，进程条件会违背正常运转条件。在这种状况下，符合规定规范的变送器最多可输出20.5 mA。此输出信号超出规模，坐落饱满区域。与此相似但较小的饱满区域坐落丈量规模的底部。
智能丈量器材能够检测内部毛病，例如传感器或转化器毛病。发生这种状况时，符合规定规范的外表的微处理器会将输出信号设置为3.6 mA或21.0 mA，详细取决于用户怎么设置毛病安全形式。
因而，为变送器电子元器材供电的电流约束在3.5 mA左右，为该运用挑选器材时有必要仔细考虑这一点。
另一项改进是添加了数字通讯功用，它与4-20 mA信号共用双绞线。这种组合让操控和确诊信号能够随传感器数据一同传输。
通讯规范是HART协议，它选用频移键控(FSK)，其间位1和位0分别由1200 Hz和2200 Hz的频率表明。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模仿信号上，然后一起供给模仿和数字通讯（图4）。FSK信号的平均值一直为零，因而4-20 mA模仿信号不受影响。
HART指令集（图5）为一切现场设备共同供给共同的通讯，这中心还包含三类指令：通用指令、惯例指令和器材特定指令。一切选用HART协议的器材都有必要能辨认和支撑通用指令，例如读取主变量和单位。惯例指令为经过许多器材完结的功用，例如校准、自检和多变量读取。器材特定指令代表每个现场器材所独有的功用。
每个HART器材都有一个38位地址，由制造商ID码、器材类型代码和器材仅有标识符组成。
从左面开端，传感器接纳微操控器的数据，构成粗调(PWMAP)和精调(PWMBP)两种PWM信号。这些信号经过缓冲和求和处理后，经过低通滤波器（OP1模块）转化为相应的电压电平表明。在图6的示例中，粗调增益设置为1 (R5/R3)，而精调增益设置为1/66 (R5/R4)。OP3与精细基准电压和外部MOSFET (Q1)结合，完结精细电压操控电流源。在此运用示例中，第二个通用放大器(OP2)用于丈量电流环路，并向微操控器供给反应。两个比较器用于监控电源电压和内部LDO电压。电源时序操控器保证体系正确发动，并在LDO输出到达终究值的90%时发生电源杰出信号，其输出值由分压器设置。
MAX32675C（图7）是一款高集成度混合信号、超低功耗微操控器，适用于工业运用。它依据超低功耗Arm® Cortex®-M4，带有浮点单元、一组丰厚的数字外设和一个模仿前端(AFE)。
AFE集成了低功耗HART调制解调器、两个12通道Σ-Δ模数转化器(ADC)、可编程增益放大器(PGA)以及12位数模转化器(DAC)。
MAX32675C供给两个Σ-Δ ADC，它们同享多路复用的12个模仿输入，这些输入可装备为差分或单端。每个ADC前面都有一个PGA，PGA具有8个可用增益，规模为1到128。PGA输出可由外部装备，支撑外部滤波。有多个基准输入可用，以进步灵活性。集成的50 ppm基准电压可编程为1.024 V、1.5 V、2.048 V和2.5 V。传感器可运用16级可编程电流源或固定电压源(VDD/2)进行偏置（见图8）。
ADC能够按需主动校准其内部失谐和增益差错以及体系失谐和增益差错，并将校准值存储在专用寄存器中。PGA有8个独立的增益校准寄存器。
自校准程序不包含外部影响，例如驱动输入引脚的源信号，这些影响会改动体系的失谐和增益。
体系校准经过向选定的输入引脚供给零电平信号或满量程信号，并发动体系零电平或体系增益校准指令，来使能体系零电平缓体系满量程校准。
同步50 Hz/60 Hz按捺有限脉冲响应(FIR)滤波器在16 SPS时供给对50 Hz和60 Hz远超越90 dB的按捺，并明显按捺其谐波。输出速率更快时（40 SPS），50 Hz和60 Hz FIR滤波器设置针对这些频率的衰减水平会下降。
sinc4设置支撑四阶SINC滤波器，该滤波器能够以高达1989 SPS（24位精度）的接连数据速率运转，或以15360 SPS（16位精度）的接连数据速率运转。
时序操控器是一项强壮的功用，能够将一系列指令编程到序列缓冲器寄存器中（图9）。能够将序列的完结装备为发生中止。
还有8个下限/上限比较阈值寄存器与这8个转化寄存器相关联。比较成果存储在状况寄存器中。
AFE能够装备为运用热电偶丈量温度（图10）。热电偶电压运用精细基准电压来丈量，一起一定要运用独自的传感器来丈量冷端的温度。这能够终究靠电阻温度检测器(RTD)之类的器材来丈量。
关于热电偶丈量，依据所用的热电偶类型将PGA增益设置为恰当的值。K型热电偶发生的最大电压为54 mV，运用32倍的PGA增益可发生约1.7 V输出。内部电压发生器将热电偶偏置至VDD/2 (AIN5)。
选用RTD进行冷端温度丈量时，电流源IDAC0设置为在AIN10上供给220 μA。电流将流过RTD和基准电阻RREF，在RREF上发生800 mV的电压降，用作丈量的基准电压。因为流过RTD和RREF的电流相同，因而转化数据将是RTD电阻与REF的比率。
该器材集成了1200 Hz/2200 Hz FSK信号的调制和解调功用。因为集成了信号处理功用，调制解调器（图11）功耗十分低，只需要少数外部元件。输入信号由ADC采样，随后由数字滤波器/解调器处理。调制器供给纯洁的信号，频率在1200 Hz到2200 Hz之间切换，且相位坚持接连。SPI接口用于装备外设寄存器，通讯则选用UART。
MAX12900和MAX32675C的组合能够给4-20 mA智能变送器带来三重优点，包含缩小体系尺度；让体系支撑多种类型传感器，提高灵活性；以及有用改进全体体系可靠性。多个基准输入和双ADC增加了体系冗余。比较器和备用运算放大器能够监控电源电压和输出电流等要害参数，然后简化SIL完结。
Franco Contadini 具有超越35年的电子职业从业经历。在从事电路板和ASIC规划作业10年之后，他成为现场运用工程师，为工业、电信和医疗客户供给支撑，首要担任电源和电池办理、信号链、加密体系和微操控器等相关事务。Franco撰写了多篇关于信号链和电源的运用笔记和技能文章。在意大利热那亚世界信息学院学习期间，他主修电子学。
15010243714 