完整的4mA至20mA HART解決方案

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示的電路使用 AD5700——業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC調(diào)制解調(diào)器，以及AD5420 16位電流輸出DAC，形成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。

為了進(jìn)一步節(jié)省空間， AD5700-1 提供了精度為0.5%的內(nèi)部振蕩器。

圖1. AD5420 HART使能電路簡化原理圖

該電路符合由HART通信基金會定義的HART物理層規(guī)范，例如模擬變化率和靜默期間噪聲規(guī)格。

多年來，過程控制儀器儀表中一直使用4 mA至20 mA通信。此通信方式穩(wěn)定可靠，對長距離通信中的環(huán)境干擾具有高抗擾度。不過，其限制是每次只能進(jìn)行一個過程變量的單向通信。

可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)實現(xiàn)了高性能的雙向數(shù)字通信，同時支持傳統(tǒng)儀器儀表設(shè)備所使用的4 mA至20 mA模擬信號。它衍生出各種特性，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和額外過程變量的傳輸。簡言之，HART是一種數(shù)字雙向通信系統(tǒng)，其在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調(diào)制一個1 mA p-p頻移鍵控(FSK)信號。

電路描述

圖1顯示AD5420如何與AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器和UART接口配合使用，以使PLC和DCS系統(tǒng)常用的4 mA至20 mA電流輸出支持HART。從AD5700輸出的HART_OUT信號經(jīng)過衰減后，交流耦合至AD5420的RSET引腳。如果未使用外部 RSET 電阻，連接AD5420和AD5700的替代方法請參見應(yīng)用筆記AN-1065 ，其中AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器輸出通過CAP2引腳耦合到AD5420。本電路筆記中所述的方法是需要使用外部RSET電阻，其電源抑制性能要高于應(yīng)用筆記的替代方法。無論使用哪一種解決方案，AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器輸出均可在不影響電流直流電平的前提下調(diào)制4 mA至20 mA模擬電流(如圖2所示)。二極管保護電路(D1 D4)將在瞬變電壓保護部分詳細(xì)論述。

圖2. AD5700/AD5700-1樣片調(diào)制器波形

確定外部元件值

C1和C2可配合器件的數(shù)字壓擺率控制功能使用，以控制AD5420對應(yīng)的IOUT信號的壓擺率。確定電容的絕對值時，要確保調(diào)制解調(diào)器的FSK輸出無失真通過。因此，調(diào)制解調(diào)器輸出信號的帶寬必須通過1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實現(xiàn)此要求的電路。在此情況下C2保持開路。

圖3. AD5420/AD5410和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器連接

低通和高通濾波器電路通過RH、CL、 CH和 C1的相互作用并配合AD5420的一些內(nèi)部電路來形成。在計算這些元件的值時，低通和高通頻率截止點目標(biāo)分別為>10 kHz和<500 Hz。圖4顯示了仿真頻率響應(yīng)的曲線圖，表1顯示了增加各元件值而剩余元件值保持不變對頻率響應(yīng)的影響。

圖4. 仿真頻率響應(yīng)

調(diào)制解調(diào)器的輸出是一個FSK信號，由1200 Hz和2200 Hz移動頻率組成。這個信號需要轉(zhuǎn)換為1個1 mA峰峰值電流信號。為此，RSET引腳上的信號幅度必須衰減。這是因為AD5420有內(nèi)部電流增益配置設(shè)計。假定調(diào)制解調(diào)器的輸出幅度為500 mV峰峰值，則其輸出必須經(jīng)過500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過RH 和 CL來實現(xiàn)。

本電路筆記中的測量使用以下元件值完成：

C1 = 4.7 nF

RH = 27 kΩ

CL = 4.7 nF

CH = 8.2 nF

圖5是在500 Ω負(fù)載電阻上分別測得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5420輸出中的調(diào)制HART信號(設(shè)置為輸出4 mA)，而通道2顯示AD5700 TXD信號。

圖5. 在500 Ω負(fù)載上測得的FSK波形

HART兼容性

圖1中的電路要與HART兼容，必須符合HART物理層規(guī)范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。其中最重要的兩個是靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。

靜默期間的輸出噪聲

當(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸(靜默)時，不應(yīng)在HART擴展頻帶中有噪聲耦合到網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備對HART信號的接收。

對于在500 Ω負(fù)載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和擴展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV(有效值)。此噪聲通過在500 Ω負(fù)載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀(參見圖6)來測量。也可使用示波器來檢查輸出波形峰峰值電壓。

AD5420輸出電流設(shè)置為4 mA、12 mA和20 mA。測得噪聲沒有明顯差異。使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時，測得的均方根值分別為115 μV rms和252 μV rms。這兩個值均在要求的2.2 mV rms(使用HART濾波器)和138 mV rms(不使用HART濾波器的寬帶噪聲)規(guī)范內(nèi)。

圖6. HART規(guī)范測試電路

圖7和圖8分別顯示4 mA和12 mA輸出電流的示波器曲線圖。請注意，濾波器的通帶增益為10。通道1和通道2分別顯示濾波器的輸入和輸出。

圖7. HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲，輸出電流為4 MA

圖8. HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲，輸出電流為12 MA

模擬變化率

這一技術(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化是會擾亂HART信號。使用如圖6所示的相同測試電路。為進(jìn)行這個測試，AD5420編程輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。為了符合HART規(guī)范，濾波器輸出端的波形的峰值電壓不能大于150 mV。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。

AD5420輸出從4 mA變?yōu)?0 mA的通常時間約為10 μs。這個速度顯然太快，而且會對HART網(wǎng)絡(luò)造成重大破壞。為了降低變化率，AD5420提供了兩種特性：一是在CAP1和CAP2引腳處連接電容，二是提供數(shù)字壓擺率控制功能(詳情請參考AD5420數(shù)據(jù)手冊 )。

要使帶寬降低到25 Hz以下，需要在CAP1和CAP2引腳處連接非常大的電容值。最佳解決方案是結(jié)合外部電容和AD5420的數(shù)字壓擺率控制功能。兩個電容C1和C2的作用是降低模擬信號的變化率;不過還不足以滿足規(guī)范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設(shè)置提供靈活性。

圖9. AD5420輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR CLOCK = 3，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC

圖9顯示AD5420的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為80 mV，處于規(guī)定范圍以內(nèi)。壓擺率設(shè)置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，從4 mA至20 mA的轉(zhuǎn)換時間設(shè)為約120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未連接。如果這個變化率太慢，可以減少壓擺時間。但這會使濾波器輸出端的峰值電壓增加。從CAP1連接至AVDD 的電容可用于抵消此增加。

圖10顯示了壓擺率控制設(shè)置改為SR CLOCK = 5和SR STEP = 2，同時C1電容值保持4.7 nF不變的結(jié)果。這樣就會產(chǎn)生約240 ms的轉(zhuǎn)換時間。濾波器輸出端的峰值幅度可通過增加C1值、或配置更慢的壓擺率或通過兩者的組合來進(jìn)一步降低。

圖10. AD5420輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR CLOCK = 5，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC

瞬變電壓保護

AD5420內(nèi)置ESD保護二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業(yè)控制環(huán)境會使I/O電路遭受高得多的瞬變。為了防止過高瞬態(tài)電壓影響AD5420，可能需要外部功率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖1所示。對電阻值的約束條件(圖1中顯示為18 Ω)是，在正常工作期間，IOUT 的輸出電平必須保持在其電壓限值(AVDD )以內(nèi)，并且這兩個保護二極管和電阻必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率。在18 Ω下，對于4 mA至20 mA輸出，引腳上的電壓限值會降低V = IMAX × R = 0.36 V。還可以通過瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實現(xiàn)進(jìn)一步的保護。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種各樣的隔離和擊穿電壓額定值。TVS應(yīng)盡量采用最低擊穿電壓定標(biāo)，同時在電流正常輸出的范圍內(nèi)不導(dǎo)通。建議保護所有遠(yuǎn)程連接節(jié)點。

在許多過程控制應(yīng)用中，需要在控制器與受控單元之間提供一個隔離柵，以保護和隔離控制電路遭受可能發(fā)生的任何危險的共模電壓。ADI公司的i Coupler 系列產(chǎn)品可提供超過2.5 kV的電壓隔離。為了減少所需隔離器的數(shù)量，CLEAR等非關(guān)鍵信號可以連到GND;FAULT 和SDO可以不連接，從而只需要隔離三個信號。不過請注意，F(xiàn)AULT 或SDO引腳是訪問AD5420的故障檢測功能所必需的。

常見變化

圖1所示電路的一個常見變化是使用AD5422(LFCSP版本)，它類似于AD5420，但具有電壓輸出通道和電流輸出通道。電路筆記CN-0065 提供有關(guān)IEC 61000兼容解決方案的額外信息，該解決方案適合使用AD5422和ADuM1401 數(shù)字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記 CN-0233 包含有關(guān)提供電源和數(shù)據(jù)隔離的信息，使用 ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅(qū)動器。

如果需要多個通道，可使用AD5755-1 四通道電壓和電流輸出DAC。該產(chǎn)品具有創(chuàng)新型片內(nèi)動態(tài)電源控制功能，在電流模式下，可以最大限度地降低封裝功耗。各通道均有一個相應(yīng)的CHART引腳，因此HART信號可以耦合到AD5755-1的電流輸出端。

如果需要環(huán)路供電的4 mA至20 mA HART解決方案，可以組合AD5421 和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器。

電路評估與測試

要構(gòu)建此電路，需要使用AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ) 和AD5700-1評估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)，參見圖11。除外兩個評估板，該電路還需要三個外部電容(C1、 CH和CL)、一個負(fù)載電阻(RL)和一個UART接口。

設(shè)備要求

AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ)

AD5700評估板(EVAL-AD5700-1EBZ)

運行Windows XP的PC，帶USB端口

主機控制器和UART接口(標(biāo)準(zhǔn)微控制器，例如ADuC7060)

電源電壓：10.8 V至60 V

數(shù)字測試濾波器(HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會獲得)

500 Ω負(fù)載電阻

外部電容，C1 (4.7 nF)、CH (8.2 nF)、CL (4.7 nF);一個電阻，RH (27 kΩ)

示波器，Tektronix DS1012B或等效器件

圖11. 測試設(shè)置框圖

對于靜默測試期間的輸出噪聲，如上所述，AD5700調(diào)制解調(diào)器不發(fā)射數(shù)據(jù)(靜默)。AD5420設(shè)置為輸出所需的電流并通過HCF(HART通信基金會)帶通濾波器。接著使用Tektronix TDS1012B示波器測量輸出噪聲。

模擬變化率規(guī)范可確保當(dāng)AD5420調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號傳輸。

為進(jìn)行這個測試，AD5420編程為輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，并且該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。所用的壓擺率設(shè)置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，C1設(shè)置為4.7 nF，C2保持開路。同時完成另一個測量，將SR CLOCK設(shè)置改變?yōu)?而不是3，并保持所有其他設(shè)置和元件值不變，從而進(jìn)一步降低壓擺率。

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