צריכת ההספק הוא שיקול ראשון במעלה בתכנון משדרים חכמים

תכנון מכשירי שדה מוזנים בלולאה בעלי מוצא אנלוגי של 4 עד 20 מילי-אמפר וממשק (Highway Addressable Remote Transducer) באמצעות תקציב ההספק הדרוש עשוי להיות מאתגר.

מכשירי שדה חדישים – משדרים חכמים- הם התקנים מבוססי מיקרו-מעבדים חכמים המנטרים את משתני בקרת התהליך. התקני שדה כאלה הופכים בהדרגה לחכמים, בשעה שעיבוד נוסף מבוזר לתוך מישור השדה.
יותר חוכמה, פונקציונליות מוגברת ויכולות אבחון מגדילות את האתגר של פיתוח מערכת שיכולה לפעול ביעילות בתוך ההספק המוגבל המושג מלולאת 4 עד 20 מילי-אמפר.
הרכיב החשוב ביותר של כל משדר הוא החיישן הראשוני והפעולה המיטבית שלו כדי לספק את ההצגה המדויקת ביותר של הפרמטר הסביבתי הנמדד. המשתנה הראשוני תלוי לעתים קרובות במשתנה המשני; לדוגמה, קיזוז הטמפרטורה של חיישן לחץ. בדוגמה המוצגת באיור 2, החיישן הוא גשר נגדים בעל עכבה של 5kΩ, המופעל על-ידי גירוי צמידי של 3.3 וולט. דבר זה גורם לצריכת חיישן של 66 מיקרו-אמפר מתוך תקציב ההספק הכולל של המערכת.
המיקרו-בקר האנלוגי ADuCM360 משלב שני מגברי מכשור מדויקים בעלי רעש נמוך ושבח מיתכנת. המגברים מיוטבים עבור ההספק הנמוך ביותר האפשרי והדרגות שלהם ממותגות רק כאשר יש בהן צורך עבור השבח הדרוש. דבר זה מאפשר לעשות את הפשרה הטובה ביותר בין ביצועי המעגל ודרישות ההספק. במעגל ההדגמה המתואר כאן, ניתן להשתמש בחיישן הראשוני במתח שווה למחצית מתח הגירוי בלבד, הגורם למחצית רמת האות, ומייטב את ביצועי שרשרת האותות על-ידי הכפלה בתוכנה של שבח המגבר מ-16 ל-32. דבר זה יחסוך 330 מיקרו-אמפר בזרם הגירוי, אך יעלה את זרם הזנת המגבר ב-60 מיקרו-אמפר – ומהווה חיסכון נקי של 270 מיקרו-אמפר. כאשר שוקלים פשרות מסוג זה, קיימים היבטים נוספים שיש לשקול כולל יחס האות לרעש של החיישן במהלך הפרעה אלקטרו-מגנטית חיצונית. הפיתרון המשולב במלואו יכול להקל למתכנן את ההערכה של אופציות אלו.
שני ממירי a/d 24 ביט דוגמים את אותות החיישן הראשוני והמשני ומתרגמים אותם למישור הדיגיטלי. באיור 2, הממירים משולבים על ה-ADuCM360 ושוב מיוטבים עבור ההספק הנמוך ביותר הנחוץ לצורכי הביצועים הדרושים.
ארכיטקטורת ה-סיגמה-דלתא מציעה רזולוציה, ליניאריות ודיוק גבוהים, בעוד המסנן הדיגיטלי – הכלול תמיד בממיר a/d סיגמה-דלתא – מאפשר פשרות מיתכנתות בין רוחב-הפס הדרוש ורעש המבוא, כאשר לאחרון יש השפעה ישירה על הרזולוציה שניתן להשיג. לעתים קרובות, דרושה רזולוציה גבוהה מ-16 ביט עבור מבוא מכשיר השדה כדי לספק רזולוציה של 16 ביט במוצא שלו.
מיקרו-בקר משמש לעיבוד המבואות מכל חיישני מכשיר השדה ולחישוב ערך התוצאה של משתני התהליך המדודים. מעבר לכך, המעבד דרוש כדי לבצע אבחונים נוספים כמו גם תקשורות מורכבות יותר. בדוגמה זו, משתמשים במעבד risc (בתכנון מפושט) 32bit ARM Cortex-M3, ולהשלמה 128kbyte של הבזק, 8kbyte של sram וציוד היקפי אחר כגון פונקציונליות של power on reset, יצירת שעון, ממשקים דיגיטליים ומגוון תכונות לאבחון. המיקרו-בקר הוא אם כן רכיב מורכב, בעל יכולת לצרוך הרבה הספק, כך שככל שניתן לבצע עיבוד נוסף לכל מילי-ואט, המצב יוטב.
פשרה ברורה היא בין מהירות ליבת המיקרו-בקר וזרם ההזנה. דבר פחות ברור, ניתן לחסוך הספק על-ידי בחירה בתדר השעון הנמוך ביותר הדרוש עבור כל מרכיב היקפי דיגיטלי, כגון ממשקים טוריים ומוני-זמן. בדוגמה זו, המוצא המהיר ביותר של 4 עד 20 מילי-אמפר הוא מעודכן כל מילי-שנייה. בעוד ה-ADuCM360 מאפשר לממשק ה-SPI סנכרון בשעון של 16 מגה-הרץ מרבי, השימוש בשעון טורי בינוני של 100 קילו-הרץ בעל תת-מחלקי שעון מיוטבים חוסך כ-30 מיקרו-אמפר על השבב עצמו.
כמה מילי-אמפרים נוספים נחסכים על-ידי הנמכת הזרמים הדינמיים הקשורים לקיבול הפרזיטי של אותות ה-SPI על עקבות המעגל וקיבולי פיני הרכיבים. ה-Cortex-M3 ב-ADuCM360 תורם כ-290 מיקרו-אמפר למגה-הרץ. הוא כולל אופציות הספק פנימי גמישות לניהול ההספק, עם היכולת למתג דינמית מהירויות הספק והשעון אל הגושים הפנימיים, כדי לאפשר את מאזן הספק המערכת המיטבי כנגד הביצועים.
זרם המוצא של 4 עד 20 מילי-אמפר של מכשיר השדה נקבע על-ידי ממיר d/a ולאחריו מזין זרם מוצא. ה-AD5421 משלב את הממיר d/a ודרגת זרם המוצא, כמו גם מתח ייחוס מדויק. גם כלול הוא מעגל ויסות המתח מיתכנת, לשם הוצאת הספק מהלולאה כדי להזין הן את עצמו והן את יתר שרשרת האותות של המשדר. ה-AD5421 מספק מספר תכונות אבחון על-השבב, כאשר ניתן לעצב את כולן ולקרוא אותן בעזרת המיקרו-בקר, אך הן יכולות גם לפעול עצמאית.
גם עם דרגה גבוהה כזו של שילוב, ה-AD5421 צורך 300 מיקרו-אמפר מרבי ויש לו מפרט של שגיאה לעומת טמפרטורה לא מותאם של פחות מ-. דבר זה מרבב את הגרעון והדיוק של המדידה הנמסרת מבלי להשפיע שלילית על צריכת ההספק של המערכת. לבסוף, כדי להשלים את המוצא האנלוגי של 4 עד 20 מילי-אמפר, מודם HART מספק תקשורת דיגיטלית עם המארח. תקשורת HART מאפשרת מימוש של תכונות שלא ניתן להשיג בעזרת תקשורת אנלוגית בלבד. דוגמאות כוללות את המארח המשחזר את המשתנים המשניים של המכשיר, מידע אבחוני או ביצוע של נהלי כיול מרחוק. הספק נמוך ועקבה קטנה הם שיקולים חשובים בשעה שמתכננים מעגל HART.
עם זרמי שידור וקליטה אופייניים של 124 ו-86 מיקרו-אמפר בהתאמה, ה-AD5700 לא יתרום משמעותית למאזן הזרם הכללי של המכשיר. מוצא ה-HART מאפנן את זרם המוצא והוא מתמשק דרך פין מיוחד אל צומת הסיכום הפנימית בתוך ה-AD5421. מבוא ה-HART מחובר אל לולאת הזרם דרך מסנן RC פסיבי פשוט.
המסנן פועל כמסנן מעביר-פס בעל דרגה ראשונה עבור מפענח ה-HART ומשפר את החסינות האלקטרו-מגנטית של המערכת, דבר חשוב בסביבות מחמירות. השעון עבור מודם ה-HART מופק על-ידי מתנד על-שבב בהספק נמוך בעל גביש חיצוני של 3.8664 מגה-הרץ בעל שני קבלים של 8.2pF להארקה, המחוברים ישירות לפיני הגביש. עיצוב זה משתמש בהספק הנמוך ביותר האפשרי.

לסיכום
לא רק שפיתרון זה צורך הספק נמוך, אלא זהו גם פיתרון בעל ביצועים גבוהים, בעל תקורת שטח מזערית, מבלי להזכיר את ההתאמה ל-HART.
רמת השילוב הגבוהה ב-ADuCM360 מאפשרת גמישות ומטה את המוקד מתכנוני רכיבים דיסקרטיים מסורתיים אל השימוש המיטבי של כל גוש משולב בתוך השבב. מתכנן המערכת יכול לנצל את הפשרות, גם בשלבים מאוחרים של התכנון, על-ידי החלפה פשוטה של מערך המעגל בתוכנה. דבר זה מאפשר מחזורי תכנון קצרים, קלות בביצוע שינויים במעגל וכוונון של ביצועי המעגל, ללא צורך לעבור דרך שינויי מעגל יקרים וצורכי זמן.

Tracey Johnson ו-Michal Brychta הן מהנדסות יישומים של מערכות ניהוליות, ב-Analog Devices.

למידע נוסף בקרו באתר החברה.