（或單片機）技術的成熟，原來的老式模擬變送器逐漸退出了歷史舞臺，取而代之是以微控制器為數據處理和控制核心的智能變送器。智能變送器擴展了模擬變送器的功能，不僅提高了測量精度和工作可靠性，還可以很容易地實現線性化處理、溫度補償、自動零點和量程調整及數字通信等功能。

　　近年來，現場總線技術成為儀表和控制行業的研究熱點。與一般智能變送器相比，現場總線變送器具有更多的優勢。由于工業現場使用4~ 20mA標準的變送器仍大量存在，考慮到與標準模擬信號的兼容性，美國Rosemount公司于1986年提出了一種過渡性現場總線標準，即HART遠程傳感器通路）通信協議。目前，HART協議己成為全球應用最為廣泛的現場通信協議之一。

　　HART總線智能變送器在開發低功耗的HART總線智能變送器時，儀器內部的電源設計十分關鍵。首先，一般情況下具有微處理器的智能變送器比普通4~ 20mA變送器要消耗更多的功率，需要內部電源具有更高的供電效率。其次，隨著控制技術、計算機技術以及網絡技術的滲透和融合，變送器也逐漸向多功能方向發展。在一些大中型過程控制中，現場總線儀表開始廣泛應用。要實現數據量、控制量的遠程通訊，變送器本身應該有相應的硬件通訊接口和軟件模塊；同時，對于應用于FCS（現場總線控制系統）的智能變送器，由于FCS將DCS（分散控制系統）控制站的功能塊分散給現場設備，構成虛擬控制站，這樣，現場總線變送器又加了諸如PID控制和運算功能塊，勢必也要加功耗。另外，在許多化工行業中，現場環境會有易燃易爆氣體，對現場儀表的防爆等級有一定要求。其中，本質安全型儀表防爆效果相對較好，應用也很廣泛。本安型儀表通常都是在安全區用本質安全電路（如安全柵）來限制電火花和熱效應兩個可能的引爆源來實現防爆。這實際上也是一種低功耗設計技術。由此可見，在設計符合HART現場總線功能的智能變送器時，為滿足低功耗要求，有必要分析一下電源設計問題。

　　1HART總線智能變送器功耗分析1HART協議簡介HART協議采用了基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，它在4~20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦調制波。并規定1 2kHz代表邏輯“1”，22kHz代表邏輯*0*.由于所疊加的正弦信號平均值為0，所以，數字通信信號不會干擾4~20mA的模擬信號。

　　HART協議了ISO/OSI（開放系統互連）模型，采用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層，并且允信號線復用，變送器本身電路功耗電流加上05mA的HART正弦調制波信號電流不得超過4mA的回路電流，即變送器本身功耗電流必須小于35mA.這里可以簡單估算一下這種變送器的最大功耗。首先，從控制室出來送往變送器的電壓按24V（―般工業現場多為DC電的）計算，4~20mADC信號經過變送器后先送到配電器中經負載電阻（一般為250Q）轉換成1~ 5V的直流電壓信號，再送往控制室。這樣，理論上變送器內部可以消耗的最大功率不應超過：在現場總線智能變送器的各個模塊中，微控制器的功耗最大。于是，許多廠家紛紛開始生產低功耗，甚至是超低功耗的單片機。例如，Microchip公司的PIC系列，TI公司的MSP430系列，臺灣義隆公司推出的八位EM78系列單片機，以及目前在手機、通訊行業比較流行的ARM系列單片機等。其中，具有超低功耗的MSP430系列單片機能夠實現在1.8~36V電壓、1MHz的時鐘條件下運行，而耗電電流根據不同工作模式在01~400UA之間。但是，這些只是在測試條件下得到的數據，也即單片機只在CPU模式下進行最簡單的指令運算測出的功耗電流。如果將單片機常用的外圍模塊，例如看門狗，定時器，I/O端口，硬件乘法器，串口等考慮在內的話，單片機的功耗將大大加。

　　除此之外，在變送器內部還有運算放大器，A/D、D/A，電壓/電流轉換器件，EPROM，HART通訊芯片，所有這些器件也會消耗不少的功率。

　　2低電壓電源芯片性能比較1線性穩壓器和開關式穩壓器由上面的功耗分析可見，與純模擬電路式儀表相比，采用了微處理器技術和HART總線技術的智能儀表其功耗明顯多，而且內部器件都工作在低電壓（5V或3V）模式，如何設計一種高效、穩定的電源電路將工業現場提供的24V常見電源變成低電壓電源是當前討論和研究的熱點問題。目前市面上主要有兩種低電壓電源芯片：線性穩壓器和開關式穩壓器。

　　線性穩壓器基本上不要外圍元件，成本低，不易受電磁干擾，紋波電壓小，但主要缺點是電源效許使用點對點和多點連接兩種模式1.2功耗分析◎由于iHiRT總線的智能變送器電源線和她遽低“般小于尤其應用在低電。碰壓中，效率更低。根據線性電源的工作原理，其輸入電流接近于輸出電流，可以用輸出電壓與輸入電壓之比估算它的效率。若以供電電壓24V計，在輸出目標電壓為30V時，其供電效率：顯然這種電源供電效率太低，根本無法滿足變送器低功耗要求。（2）式表明，線性穩壓器的工作效率與輸出電壓成正比，如果輸出電壓太低，則大大影響了電源供電效率。

　　隨著科學技術的發展，線性電源有很大的進展，開發出低壓差、微功耗的穩壓器，即低差壓線性穩壓器。其輸入電壓與輸出電壓之差小到0 2V時也能正常工作，靜態工作電流小于100UA，在關閉狀態時僅耗電以A.與線性穩壓器相比，開關式穩壓器的供電效率較高（一般大于80%），輸入電壓范圍較寬，輸出功率大。但其主要缺點就是輸出電壓中所含紋波較大。原因是它內部有一個施密特觸發器，一端輸入接電壓，一端輸入接反饋電壓，觸發器的輸出接到高頻振蕩器。開關電源工作時通過施密特觸發器的滯環特性，使輸出電壓保持穩定。但正是由于觸發器的滯環特性的影響，造成了開關電源輸出紋波電壓比線性電源大一些，用示波器觀察顯示為不太規則的鋸齒波形。這對于那些對噪聲電壓（電流）比較敏感的智能變送器來說顯然是不利的。

　　可見，這兩種類型的電源各有特點，也都存在不足之處。傳統的一級穩壓的方法來設計HART總線智能變送器的電源，顯然不能滿足其低功耗、對紋波電壓敏感的要求。實際上，設計時可以使用二級穩壓的方法，將低壓差線性穩壓器和開關式穩壓器配合使用。由于采用低壓差線性穩壓器時，輸入輸出電壓差可減少到0 2V，可以將開關電源的輸出低電壓（如5V）再經過低壓差線性穩壓器的降噪處理，這樣取長補短，既可以提高供電效率，又可滿足紋波電壓小的要求。

　　22電流型低壓差線性穩壓器需要注意的是，低壓差線性穩壓器要選擇電流型的，而不能使用電壓型。電壓型低壓差線性穩壓器，其原理是通過調整自身的電壓降來保證電壓的輸出穩定，流經穩壓電路的電流隨負載電流的變化型低差壓線性穩壓器是通過改變自身的電流消耗來使電壓穩定的。系統消耗的電流是由電源決定的。對于低功耗的HART智能變送器來說，負載電流會隨著單片機CPU的休眠、低速運轉、高速運轉不同工作模式，硬件乘法器、模數轉換、定時器、串行通信等模塊、I/O、外圍器件的工作狀態變化，導致儀表功耗在一定范圍內波動。如果采用電壓型穩壓器，對于輸出4~20mA電流變送器來說，自身功耗的不穩定將導致輸出電流的波動，而采用電流型穩壓器，則可以較好地解決這一問題。

　　3低功耗電源設計實例下面以一個具有HART總線功能的智能渦街流量計的電源部分設計電路為例子，說明現場總線智能變送器的電源部分具體電路實現。

　　1電源電路分析該智能流量計除了具有HART現場總線功能外，還考慮到某些情況下就地顯示需要，加了液晶顯示模塊。由于液晶控制電路需要5V的驅動電壓，其他功能芯片電路只需3V，電源電路需要實現兩次電壓轉換，電路如所示。

　　從中可以看出，設計時使用了兩個電源穩壓元件。其中，開關式穩壓器用的是AD公司的ADP3000，微功耗，輸出電壓可調/固定，內部振蕩器的工作頻率可以達到400kHz，這樣的高頻率使外部電感和電容的數量少了許多。而電流型低壓差線性穩壓器用的是TI公司的TL431，一種精密可調分流穩壓器。輸出電壓可用兩個外面電阻設置5V）和36V之間的任何值，器件的輸出阻抗很小，一般只有02fi.顯然，這是一種比較典型的二級穩壓設計方法。24V直流電壓先經過ADP3000得到一個5V低電壓，然后再經過TL431降壓變成3V.這樣做，既可以保證輸出的3V電壓精確、紋波電壓極小，也避免了電源功耗隨輸出電流波動的影響。因此具有比較好的設計效果。

　　2元件參數選擇在整個電源電路設計中，ADP3000外圍的限流電阻Ri、電感Li、濾波電容Ei和G可以技術手冊來取值，這里不再贅述。下面主要分析一而變化94系統消耗的電流負載決定的。而1電流她下n電阻益巧以及如誠電源模塊電路圖和R3用來調節ADP3000輸出電壓的反饋值，反饋電壓再與內部電壓Uref比較，來保持輸出電壓穩定。于是，可由式（3）估算R2和R3關系式：1.245V.自動化與儀器儀表，2000，25周鵬，趙青。一種基于現場總線HART協議的渦街流量計的設計與研制中國儀器儀表，2002（增魏小龍。MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例。北京：北京航空航天大學出版社，2002. Phillips線性穩壓器在便攜產品中的應用。電子產品世界，2002，20（6）：方波。線性穩壓電源與開關穩壓電源無線電，1998，33（8）：41.本文介紹的二級穩壓的電源設計方案，不僅效率比單獨的低壓差線性穩壓器高許多，而且和開關電源相比，它的輸出電壓紋波很小，精度也很高，很適合要求低功耗、多功能、負載適應性強的HART總線智能變送器，并且該方法具有一定的通用性。

　　郝祖龍（1980―），男，碩士研宄生，研宄方向是檢測技術與自動化裝置；常太華（1951―），女，教授，主要從事傳感器與先進檢測技術等研宄。