Bild 1: Trends bei Feldgeräten.

Bild 1: Trends bei Feldgeräten. Analog Devices

Die Mehrheit der Smart Transmitter sind aus der Stromschleife versorgte (Loop-powered) Zweidraht-Komponenten. Die der Stromschleife entnommene Energie muss alle Bauteile im Inneren des Instruments, darunter der Sensor und die gesamte Elektronik, versorgen. Da der minimale Schleifenstrom 4 mA beträgt, kann das maximal zulässige Strombudget des Systems (Low-Alarm-Einstellung) von 3,5 mA für ein solches Design nicht überschritten werden. Somit ist die Leistungsaufnahme eine wichtige Überlegung bei der Auswahl von Komponenten für Smart-Transmitter-Entwicklungen.

Auf einen Blick

Moderne Feldinstrumente, auch als „intelligente“ oder „Smart“ Transmitter bezeichnet, sind intelligente, mikroprozessorbasierte Feldinstrumente zur Überwachung von Prozesssteuerungsvariablen. Solche Feldgeräte werden zunehmend intelligenter, weil Verarbeitungsfähigkeiten aus zentralen Steuerzentralen im Feld verteilt werden. Die Einbindung zusätzlicher Intelligenz, Funktionalität und Diagnosefähigkeiten bei der Entwicklung von Systemen, die bei begrenzter Versorgung aus der 4…20-mA-Stromschleife effizient arbeiten können, ist aktuell eine Herausforderung für die Entwickler.

Smart Transmitter befinden sich oft an gefährlichen oder abgelegenen Orten. Der direkte Zugang zur Durchführung von routinemäßigen Wartungsarbeiten ist problematisch. An dieser Stelle spielt das Thema vorausschauende Wartung eine entscheidende Rolle. Dies macht den Einsatz von Servicepersonal im Feld überflüssig. Geräte werden sich deshalb ihres eigenen aktuellen Zustands bewusster.

HART-Kommunikation

Transmitter übermitteln die aufgenommenen Prozessvariablen über die Standard-4…20-mA-Stromschleife an die Steuerungszentrale. Dies ist die bevorzugte Kommunikationsart zur Übertragung prozessrelevanter Messungen, da es sich um eine sehr robuste und von Grund auf gegenüber Rauschen und Spannungsabfällen unempfindliche Methode handelt. Vor dem Hintergrund des Trends hin zur Einbindung von mehr Intelligenz ins Feld entwickelt sich die HART-Kommunikation (Highway Addressable Remote Transducer) zum branchenweiten Zwei-Wege-Protokoll der Wahl zur digitalen Übertragung zusätzlicher Diagnose-Informationen zwischen Feldgeräten und der Steuerungszentrale. Vereinfacht ausgedrückt wird das DC- und niederfrequente 4…20-mA-Stromsignal durch ein unabhängiges Signal mit höherer Frequenz moduliert, das zwischen einem Frequenzpaar (1,2 und 2,2 kHz) umschaltet – eine als FSK (Frequency-Shift Keying) bezeichnete Technik. Dieses FSK-Signal mit 1 mAss wird auf das analoge Stromsignal moduliert, ohne die ursprüngliche primäre Übertragung der Prozessvariablen zu unterbrechen.

Bild 2: HART-Kommunikation.

Bild 2: HART-Kommunikation. Analog Devices

Wie bei anderen Applikationen auch, steht nur ein begrenzter Platz auf der Leiterplatte zur Verfügung. Dies schränkt die Wahl der Komponenten hinsichtlich Typ und Abmessungen ein. Zu den Einschränkungen im Hinblick auf einen möglichst geringen Leiterplattenplatz kommt erschwerend hinzu, dass nur Transmitter mit reduzierten Abmessungen und zusätzlicher Funktionalität in Frage kommen. Deshalb ist bei allen Komponenten ein hohes Maß an On-Chip-Integration erforderlich.

Genauigkeit und Auflösung

Während sich die Integration auf Systemebene immer mehr etabliert, verlagert sich die Herausforderung hin zur Verbesserung der System-Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Genauigkeit und Auflösung seiner Komponenten. Die Wahl von Komponenten mit spezifizierter Leistungsfähigkeit und gesamten Fehlerspezifikationen für absolute Genauigkeit und Drift über die Temperatur sind für eine genaue und stabile Transmitter-Lösung wesentlich. Dies hilft auch, mehrere kostspielige Kalibrationsroutinen zu eliminieren. Somit reduzieren sich die Produktionskosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Herstellbarkeit des Endsystems.

Nachdem einige der wichtigen Markttrends untersucht wurden, wird jetzt eine praktische, über eine 4…20-mA-Stromschleife gespeiste Smart-Transmitter-Signalkette untersucht.

Smart-Transmitter-Signalkette

Bild 3: Smart-Transmitter-Signalkette.

Bild 3: Smart-Transmitter-Signalkette. Analog Devices

Die zwei Sensoren der Signalkette in Bild 3 sind typisch für Smart-Transmitter-Entwicklungen. Dabei ist die primäre Variable abhängig von einer zweiten Variablen wie beispielsweise die Temperaturkompensation einer primären Variablen. Das Messelement misst einen Umgebungsparameter oder eine Prozessvariable. Das Sensor-Ausgangssignal muss aufbereitet und verstärkt werden. Normalerweise wird ein rauscharmer Präzisionsverstärker verwendet. Ein wichtiger Punkt an dieser Stelle ist der Kompromiss zwischen rauscharmem Verhalten und geringer Leistungsaufnahme. Das aufbereitete Sensorsignal wird anschließend von einem AD-Wandler (ADC) abgetastet. Um an einem 16-Bit-Feldinstrument ein leistungsfähiges Ausgangssignal zu erhalten, ist ein ADC mit mehr als 16-Bit-Auflösung erforderlich. Ein hochauflösender Sigma-Delta-ADC mit hohem Dynamikbereich ist oft die Architektur der Wahl. Die digitale Signalverarbeitung des ADC-Ausgangssignals ist die nächste Stufe in der Signalkette. Dies erfolgt im Mikrocontroller. Hier wird normalerweise ein 32-Bit-RISC mit mehr als 10 MIPS eingesetzt, zum Beispiel ein ARM Cortex M3. Der Controller muss durch ein Flash-Memory in geeigneter Größe, SRAM und andere Peripherie wie Power-on-Reset-Funktion, Takterzeugung, Digitalschnittstellen und einige Diagnosefunktionen ergänzt werden. Der Mikrocontroller (μC) ist somit ein komplexes Bauteil mit dem Potential, viel Leistung aufzunehmen. Somit ist es je besser, je mehr Verarbeitung pro mW erfolgen kann.

Neben der Verarbeitung der Messergebnisse dient der μC zur Steuerung des Digital-Analog-Wandlers (DAC). Dieser wiederum steuert den Schleifenstrom. Neben den Low-Power-Eigenschaften des DAC spielen bei der Wahl dieses Bauteils der Signalkette weitere wichtige Anforderungen eine Rolle. Dies sind hohe Genauigkeit, Temperaturstabilität und Diagnosefähigkeiten. Alle diese Eigenschaften steigern die Leistungsfähigkeit sowie die Stabilität des Systems. Die Genauigkeit und Stabilität der verfügbaren Referenz für den DAC ist ebenfalls entscheidend.

Jedes Mikroampere zählt

Bild 4: Blockdiagramm einer Feldinstrument-Demo für HART-Kommunikation.

Bild 4: Blockdiagramm einer Feldinstrument-Demo für HART-Kommunikation. Analog Devices

Der DAC wird vom HART-Modem gespeist. Zusammen mit der UART-Schnittstelle ermöglicht der Mikrocontroller HART-Kommunikation in der Smart-Transmitter-Entwicklung und spielt eine wesentliche Rolle beim Abrufen der Prozess- und Diagnose-Information des Instruments. Auch hier wiederum, bei der Auswahl der HART-Modem-Komponente, spielen eine geringe Leistungsaufnahme sowie eine kleine Grundfläche eine wichtige Rolle. Das letzte Teil des Puzzles ist die Power-Management-Schaltung, in Bild 3 als Spannungsreglerblock bezeichnet. Die Energie wird direkt der Schleife entnommen. Somit ist eine geregelte Versorgung vorhanden, die alle der erwähnten Komponenten der Transmitter-Signalkette versorgt.

In einer Applikation wie dieser, bei der jedes Mikroampere zählt, erweist sich die für die HART-Kommunikation geeignete Feldinstrument-Demo in Bild 4 von unschätzbarem Wert. Diese Schaltung, entwickelt von Analog Devices, besteht aus dem Precision Analog Mikrocontroller ADuCM360, dem AD5421, ein über die 4…20-mA-Schleife versorgter DAC mit 16 Bit und dem HART-konformen IC-Modem AD5700. Die analoge Eingangsstufe ist optimiert für den Betrieb bei geringer Leistungsaufnahme und bietet zugleich die erforderliche hohe Leistungsfähigkeit im analogen Bereich. Der Mikrocontroller-Core kann für den normalen Betrieb konfiguriert werden und benötigt dann 290 μA/MHz. Er hat sehr flexible interne Power-Management-Möglichkeiten. Dies ermöglicht den Kompromiss aus Leistung mit einer Auswahl an internen Taktgeschwindigkeiten und dynamisch schaltender Leistung für die internen Funktionsblöcke. Mit typischen Strömen von 124 µA beziehungsweise 86 µA für die Übertragung oder den Empfang trägt das HART-Modem nur unwesentlich zur gesamten Stromaufnahme bei. Ähnliches gilt für den schleifengespeisten DAC. Dieser benötigt einen maximalen Ruhestrom von nur 300 µA und weist eine gesamte Fehlerspezifikation (Unadjusted) über die Temperatur von ±0,048 % FSR auf. Dies maximiert die Granularität der kommunizierten Messung ohne Auswirkungen auf den Energieverbrauch des Systems.

Bei der genauen Untersuchung dieser Lösung und einem Vergleich mit der Signalkette in Bild 3 ergibt sich folgendes:

  • Der ADC 0 mit Mikrocontroller misst den primären Sensor des Feldinstruments. In diesem Fall ein resistiver Brücken-Drucksensor. Der zweite On-Chip-ADC dient zur Messung des sekundären Temperaturssensorsignals. Dies ermöglicht eine Temperaturkompensation des Primärsensors. Beide Instrumentenverstärker sind neben Anregungsstromquellen, Spannungsreferenzen und anderen Analogschaltkreisen ebenfalls auf dem Mikrocontroller-Chip integriert. Alle digitalen Funktionen des Feldinstruments werden vom stromsparenden 32-Bit-ARM Cortex M3 RISC bereitgestellt.
  • Das zweite Hauptelement in diesem Design ist der schleifengespeiste DA-Wandler AD5421. Dieser ist über die SPI-Schnittstelle mit dem Mikrocontroller verbunden. Der DAC ist ein kompletter, schleifengespeister digital zu 4…20-mA-Wandler mit Referenz, Schleifenschnittstellenstufe und programmierbarer Spannungsreglerschaltung. Die Spannungsreglerschaltung ist erforderlich, um aus der Schleife eine niedrige Versorgungsspannung zu extrahieren. Außerdem versorgt sie mit dieser Spannung sich selbst und den Rest der Transmitter-Signalkette. Der DAC verfügt auch über eine Reihe integrierter Diagnosefunktionen. Diese können alle konfiguriert und vom Mikrocontroller gelesen werden. Alternativ können sie autonom arbeiten.
  • Das HART-Modem ist über eine Standard-UART-Schnittstelle mit dem Mikrocontroller verbunden. Der HART-Ausgang wird durch den kapazitiven Teiler auf die erforderliche Amplitude skaliert und mit dem CIN-Pin des DAC verbunden. Dort wird er mit dem DAC-Ausgang kombiniert, um den Ausgangsstrom zu treiben und zu modulieren. Der HART-Eingang ist von LOOP+ über ein einfaches passives RC-Filter gekoppelt. Das RC-Filter arbeitet für den HART-Demodulator als Bandpassfilter erster Ordnung. Ferner verbessert es die elektromagnetische Immunität des Systems. Dies ist wichtig für robuste Applikationen, die unter rauen Industrieumgebungen arbeiten müssen. Das Taktsignal für das HART-Modem wird vom stromsparenden On-Chip-Oszillator erzeugt. Dazu dient ein externer 3,8664-MHz-Quarz mit zwei 8,2-pF-Kondensatoren an Masse, direkt an die XTAL-Pins angeschlossen. Diese Konfiguration kommt mit der geringst möglichen Leistungsaufnahme aus.
Tabelle 1: Demo-Schaltung, Stromaufnahme der einzelnen Schaltungsbereiche.

Tabelle 1: Demo-Schaltung, Stromaufnahme der einzelnen Schaltungsbereiche. Analog Devices

Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Ströme aller Schaltungsbestandteile des Systems DEMO-AD5700D2Z. Das System kommt nicht nur mit sehr wenig Energie aus, sondern ist auch eine leistungsstarke Lösung mit minimalem Platzbedarf. Ganz abgesehen von der HART-Konformität. Das System wurde hinsichtlich Konformität getestet und verifiziert. Es wurde als zugelassene HART-Lösung bei der HART Communication Foundation eingetragen. Diese erfolgreiche Registrierung gibt Schaltungsentwicklern ein hohes Maß an Vertrauen beim Einsatz der hier beschriebenen Komponenten.

Bild 5: Demo-Board eines HART-registrierten Feldinstruments.

Bild 5: Demo-Board eines HART-registrierten Feldinstruments. Analog Devices

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die hier beschriebene Schaltung eine mögliche Lösung aufzeigt, mit der sich die vielseitigen Herausforderungen bei der Entwicklung eines schleifengespeisten Transmitters, der die ständig steigenden Anforderungen des Marktes erfüllt, bewältigen lassen. Die Diskussion über die Transmitter-Signalkette adressiert mit der von Analog Devices angebotenen Lösung diese Herausforderungen direkt. Sie sorgt für eine ausgewogene Leistungsaufnahme aller Bauteile und Schaltungsbereiche. Daraus resultiert eine Signalkette, welche die Anforderungen einer modernen, mit vielen Leistungsmerkmalen ausgestatteten Smart-Transmitter-Schaltung hinsichtlich Leistungsaufnahme, Leistungsfähigkeit, Abmessungen und Diagnosefunktionen erfüllt.