具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場儀器

連接/參考器件

ADuCM360：低功耗、精密模擬微控制器

AD5421：16位、環(huán)路供電、4 mA至20 mA DAC

AD5700：低功耗HART調(diào)制解調(diào)器

評估和設計支持

電路評估板

CN0267電路評估板(DEMO-AD5700D2Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、代碼示例

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的智能工業(yè)環(huán)路供電現(xiàn)場儀器，提供4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠程傳感器高速通道(HART)接口。HART是一種數(shù)字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調(diào)制一個1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。它可實現(xiàn)眾多功能，例如遠程校準、故障查詢和過程變量傳輸;這些功能在諸如溫度和壓力控制等應用中是必須的。

該電路已通過兼容性測試和驗證，并通過了HART通信基金會(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設計人員極其放心地使用電路中的一個或全部元件。

該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、4 mA至20 mA 16位環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) AD5421，以及業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700。

 

 

 

 

電路描述

模擬前端接口

ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。同時還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程電流源、靈活的多路復用器以及其它許多特性。該器件允許直接與多個模擬傳感器對接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業(yè)用途的其它各類傳感器。

圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的示例電路。而ADuCM360具有靈活的前端，允許進行除此之外的其它各種配置，滿足各種類型的精密模擬傳感器應用要求。

主傳感器輸入

ADuCM360的片內(nèi)ADC0測量現(xiàn)場儀器的主傳感器，在圖1中表示為橋式傳感器。該傳感器通過一個RC濾波器網(wǎng)絡連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF-基準電壓輸入檢測電橋的激勵電壓并啟動電路的比率工作模式，使測量獨立于傳感器電源電壓的確切值。若應用需要，則片內(nèi)接地開關可動態(tài)斷開電橋的激勵電壓，降低功耗。

輔助傳感器輸入

本電路使用100 Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測器(RTD)作為輔助傳感器。RTD能夠檢測主傳感器的溫度，因此，如果必要，可對主傳感器進行溫度補償。

ADuCM360可編程電流源通過AIN4引腳為RTD提供電源。ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2引腳，測量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對流過RTD的確切電流值進行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準電壓源。

數(shù)字數(shù)據(jù)處理、算法和通信

所有現(xiàn)場儀器的數(shù)字功能均由ADuCM360 32位ARM Cortex M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節(jié)非易失性flash/EE存儲器、8 k字節(jié)SRAM，以及一個支持有線(2× SPI、UART、I2C)通信外設的11通道直接存儲器訪問(DMA)控制器。

演示軟件可進行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數(shù)據(jù)、控制模擬輸出，并進行HART通信。

模擬輸出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅(qū)動器，可提供現(xiàn)場儀器模擬輸出所需的全部功能。

AD5421通過SPI接口與ADuCM360控制器對接。

AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關的診斷功能。輔助ADC可通過連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測量儀器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過集成式傳感器測量芯片溫度。ADuCM360控制器可配置并讀取AD5421的全部診斷數(shù)據(jù)，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之間的通信發(fā)生故障，AD5421將在一段時間后自動設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。此報警電流將現(xiàn)場儀器工作故障這一情況匯報給主機。

輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART通信產(chǎn)生干擾。(參見“模擬變化率”部分)。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器通過標準UART接口，伴隨請求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD)信號實現(xiàn)與ADuCM360控制器的連接。

HART輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū)動和調(diào)制輸出電流。

HART輸入通過一個簡單的有源RC濾波器，從LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一級，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時增強系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應用而言非常重要。

AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘。

 

靜默期間的輸出噪聲測試

當HART設備沒有進行傳輸(靜默)時，噪聲不應耦合至網(wǎng)絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網(wǎng)絡上的其它設備對HART信號的接收。

對于在環(huán)路中的500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴展頻帶中的相關噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，HART擴展頻帶外的噪聲不應超過138 mV rms。

500 Ω負載上的噪聲采用真均方根測量儀測得。此噪聲作為帶外噪聲直接進行測量，作為帶內(nèi)噪聲通過HCF_TOOL-31濾波器測量。也可使用示波器來檢查噪聲波形。

在最差情況下進行噪聲測量，即4 mA輸出電流。圖4顯示捕獲的噪聲波形，結(jié)果總結(jié)在表1中。

 

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表1. 靜默時的輸出噪聲

 

 

模擬變化率測試 這一技術(shù)規(guī)范可確保當設備調(diào)節(jié)模擬輸出電流時，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。

最差情況下的模擬輸出電流變化一定不能產(chǎn)生高于15 mV峰值電壓的干擾，此數(shù)值在HART擴展頻帶下，通過對500 Ω負載進行測量得到。

AD5421 DAC和輸出驅(qū)動器相對較快。因此，為了滿足所需的系統(tǒng)規(guī)格，可將AD5421的硬件壓擺率限值與ADuCM360軟件中的數(shù)字濾波器相結(jié)合，控制輸出電流的變化。

通過與AD5421的CIN引腳相連的電容，設置硬件壓擺率限值。當模擬輸出電流值需要改變較大的步進時，ADuCM360軟件將發(fā)送到AD5421 DAC的輸出電流變化分割成數(shù)個較小的步進。

使用一個示波器執(zhí)行該測試，并通過HCF_TOOL-31濾波器耦合至500 Ω負載。

結(jié)果如圖5所示。波形CH1顯示4 mA和20 mA之間的周期性步進，直接在500 Ω負載上測得。波形CH2是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號，將其放大10倍，并處于150 mV峰值限制之內(nèi)。

 

 

電路功耗 使用兩種方法來評估電路的功耗性能。

在第一種方法中，測量來自AD5421集成式電壓調(diào)節(jié)器的輸出電流。

考慮到最小模擬輸出電流為4 mA，并且HART輸出直流調(diào)制峰值為0.5 mA，則電路在正常工作模式下消耗的最大電流必須低于3.5 mA。AD5421自身工作需消耗0.3 mA的最大電流，因此留給AD5421 REGOUT輸出的最大電流約為3.2 mA。

為了便于進行在線測量，DEMO-AD5700D2Z在10 Ω電阻兩側(cè)的REGOUT輸出濾波器中均有測試點(T5，T6)，如圖6所示。此設置允許對電阻上的壓降進行測量，并對電流進行計算，而無需打斷電源電流或干擾電路。

 

 

結(jié)果顯示在表2中，測量條件如下：

. REGOUT = 3.3 V

. ADuCM360 M3內(nèi)核時鐘 = 2 MHz

. 兩個ADC每秒均轉(zhuǎn)換50個樣本

. ADC0的兩個緩沖器均開啟，增益 = 8

. ADC1的兩個緩沖器均開啟，增益 = 16

. RTD激勵電流 = 200 μA

. SPI與AD5421通信的串行時鐘 = 100 kHz

. HART通信

電路及所有相關模擬和數(shù)字模塊(包括輸入傳感器)的功耗在環(huán)路電流最小值為4 mA時，許可的預算之內(nèi)。

表2. AD5421的電源電流(REGOUT = 3.3V)

 

 

在評估電路功耗的第二種方法中，電路經(jīng)驗證正常工作，執(zhí)行HART通信任務時的模擬輸出電流設置為4 mA最小值。結(jié)果顯示電路提供4 mA電流，且HART輸出信號不失真。

主傳感器輸入性能

ADuCM360片內(nèi)集成大部分模擬前端，因此模擬輸入的性能主要由ADuCM360的規(guī)格決定。

噪聲電平是受模擬前端與板上其余電路部分交互干擾的主要因素。因此，測試主要針對噪聲以及相關的系統(tǒng)分辨率性能。

該演示配置為從主模擬輸入通過HART通信發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)值以壓力表示，單位為kPa。捕獲100個樣本，完成基本數(shù)據(jù)分析以便量化性能。兩項測試包括：

. 第一項測試將標準壓力傳感器(Honeywell 24PCDFA6D)直接焊接至電路板上。

. 第二項測試采用由一組固定和可變電阻生成的主輸入信號執(zhí)行，如圖7所示。

 

 

性能總結(jié)見表3，圖8和圖9顯示信號曲線圖。

表3. 主傳感器輸入噪聲和分辨率

 

 

 

 

輔助傳感器輸入性能 與主傳感器類似，輔助傳感器輸入的性能主要由ADuCM360的模擬前端決定(噪聲性能除外)。

模擬輸入配置為通過HART通信路徑向主機發(fā)送溫度數(shù)據(jù)(以°C表示)。對100個樣本執(zhí)行兩項測試，以便進行性能的量化分析。

第一項測試采用板載100 Ω鉑電阻傳感器進行，第二項測試則采用標準(固定)100 Ω ± 1%電阻代替板載傳感器進行。

性能總結(jié)見表4，圖10和圖11顯示信號曲線圖。

表4. 輔助傳感器輸入噪聲性能

 

 

 

 

 

輸出保護

瞬變電壓抑制器(TVS)保護4 mA至20 mA HART接口免受過壓影響。其額定電壓不應超過AD5421在REGIN引腳上的60 V絕對最大電壓。請注意，TVS泄漏電流可能會影響電流輸出精度;因此，選用此器件時，需關注一定環(huán)路電壓和溫度范圍下的泄漏電流。

可使用外部耗盡型FET與AD5421搭配工作，提高環(huán)路電壓最大值。

本電路具有保護功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對二極管保護電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。

鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡的規(guī)格限制，請勿在環(huán)路端點處使用更高數(shù)值的電容。

4.7 V低泄露齊納二極管保護AD5421的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電阻免受AD5421的COM引腳和LOOP-引腳間意料之外的外部電壓影響(例如，對ADuCM360編程或調(diào)試電路時)。

電源和電源管理

包括傳感器驅(qū)動電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場儀器電路必須工作在4 mA至20 mA環(huán)路提供的限量電源下。這對所有環(huán)路供電現(xiàn)場儀器設計而言，都是一個普遍的難題。圖1中的電路提供了低功耗以及高性能解決方案的一個實例。應用中用到的全部三個集成電路均針對低功耗而設計，并且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)的環(huán)路供電解決方案。

AD5421采用4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，為電路的其余部分提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓。

AD5421的REGOUT電壓在1.8 V至12 V范圍內(nèi)引腳可編程，具體電壓值取決于電路要求。圖1中的電路采用3.3 V電源電壓選項，作為所用輸入傳感器的一個實例。然而，由于ADuCM360和AD5700具有更寬的電源電壓范圍，因此可采用不同的電源電壓，以滿足應用要求。

REGOUT RC濾波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止傳感器模擬前端受到來自環(huán)路的任何干擾的影響。它還能防止電路產(chǎn)生的任何干擾(尤其是控制器和數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾)回流耦合至環(huán)路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器通過一個額外的RC濾波器供電(470 Ω/1 μF)。該濾波器在環(huán)路供電應用中的作用非常重要，因為它可防止AD5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路輸出進行耦合;若非如此，將影響HART通信。在靜默測試期間，特地通過HART帶內(nèi)噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪聲性能問題。AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過將XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達到的功耗范圍中選擇最低值。

ADuCM360具有極為靈活的內(nèi)部電源管理功能，提供所有內(nèi)部模塊的許多供電和時鐘選項，并且當軟件調(diào)用時，允許針對特定的儀器應用，在要求的功能、性能和功耗之間取得最佳平衡。請參考ADuCM360產(chǎn)品頁面和AN-1111應用指南。

模擬前端AVDD通過另一個濾波器(10 μF/鐵氧體磁珠/1.6 Ω/10 μF)供電，以便最大程度針對低壓傳感器信號減少電源噪聲，獲得更佳性能。

ADuCM360的GND_SW接地開關引腳控制主傳感器的激勵和電源。儀器上電時，開關默認為關閉。這一默認設定允許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進行全面配置，包括適當?shù)碾娫茨Ｊ?，從而最大程度降? mA至20 mA環(huán)路輸出上可能存在的任何上電尖峰。

類似地，輔助傳感器采用ADuCM360的可編程電流源供電，因此可通過軟件完全控制其電源輸入。

ADuCM360軟件

可在CN-0267設計支持包中找到演示本電路功能和性能的基本代碼示例。

代碼示例包括基本HART從機命令響應，用于演示硬件的功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協(xié)議層。

常見變化

ADuCM360具有一個高性能且非常靈活的模擬前端，提供12個模擬輸入引腳以及供基準電壓源和接地開關使用的額外引腳。它允許與多個各類模擬傳感器直接接口，比如任意的阻性橋式傳感器、電阻式溫度傳感器或熱電偶。由于可用于幾乎所有的傳感器現(xiàn)場儀器，這款現(xiàn)場儀器解決方案并不局限于溫度補償型壓力測量。

在模擬前端只需一個Σ-Δ型ADC的應用中，可使用ADuCM361替換ADuCM360。除了備用ADC，ADuCM361提供ADuCM360的所有特性。

ADuCM361片內(nèi)DAC和外部晶體管可用于控制4 mA至20 mA環(huán)路，詳情請參見CN-0300。

AD5421可通過保護電路直接與環(huán)路相連。也可在AD5421和環(huán)路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖2所示。由于在本配置中使用額外MOSFET，因此可將AD5421上的電壓降保持在12 V左右，降低AD5421封裝的功耗，并增加4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還可將環(huán)路允許的最大電壓提升至MOSFET的額定電平值。額外的MOSFET對HART通信無影響。

 

 

本電路中，AD5700與3.8664 MHz晶振共同使用，形成具有最低功耗的配置。作為替代方案，AD5700-1可配合0.5 %精度的集成式內(nèi)部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內(nèi)部振蕩器最多可提升225 μA調(diào)制解調(diào)器電源電流，但因為無需使用外部晶體，因此該方案同時節(jié)省了成本，降低了所需的電路板面積。

對于非環(huán)路供電的應用，則AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是針對4 mA至20 mA DAC不錯的選擇。

電路評估與測試

電路硬件

圖1中的電路基于圖3中的DEMO-AD5700D2Z印刷電路板構(gòu)建。

 

 

DEMO-AD5700D2Z電路板具有一些額外的特性，方便進行系統(tǒng)評估。連接器具有0.1英寸的引腳間距，允許使用可選的主級和次級傳感器連接。HART兼容性測試可能需要用到HART RTS和DC信號的測試點。

DEMO-AD5700D2Z邊沿上的連接器使ADuCM360信號線和UART下載/調(diào)試信號可被訪問，讓軟件開發(fā)、代碼下載和在線調(diào)試與仿真更為便捷。連接器帶有小型的連接頭擴展器(隨DEMO-AD5700D2Z板一同提供)，兼容ADI的所有基于Cortex-M3的開發(fā)工具，例如EVAL-ADuCM360QSPZ評估套件(該評估套件不隨DEMO-AD5700D2Z板提供)。

圖1的簡化框圖中未顯示這些特性;然而，可在CN-0267設計支持包中的完整電路圖上看到它們。設計支持包還包括完整的現(xiàn)場儀器C語言代碼示例，可用來對全部硬件模塊和電路特性進行完整的驗證與評估，并對HARt接口的功能性提供一定程度的驗證。有關HART接口規(guī)格和資源的詳細信息，請聯(lián)系HART通信基金會。

HART兼容性 DEMO-AD5700D2Z已通過HART FSK物理層規(guī)范(HCF_SPEC-054，修訂版8.1)的兼容性驗證，該驗證采用HART物理層測試規(guī)范(HCF_TEST-2，修訂版2.2)中的方法和設備。本電路板已提交HART通信基金會，并成功注冊。

可在HART通信基金會(HFC)網(wǎng)站上找到該注冊電路，產(chǎn)品目錄為：DEMO-AD5700D2Z。

涉及的兩項測試為：靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。