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

表1. 靜默時(shí)的輸出噪聲

模擬變化率測(cè)試 這一技術(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)模擬輸出電流時(shí)，模擬電流的最大變化率不會(huì)干擾HART通信。電流的階躍變化會(huì)擾亂HART信號(hào)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(kuò)展頻帶下，通過(guò)對(duì)500 Ω負(fù)載進(jìn)行測(cè)量得到。

AD5421 DAC和輸出驅(qū)動(dòng)器相對(duì)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(guò)與AD5421的CIN引腳相連的電容，設(shè)置硬件壓擺率限值。當(dāng)模擬輸出電流值需要改變較大的步進(jìn)時(shí)，ADuCM360軟件將發(fā)送到AD5421 DAC的輸出電流變化分割成數(shù)個(gè)較小的步進(jìn)。

使用一個(gè)示波器執(zhí)行該測(cè)試，并通過(guò)HCF_TOOL-31濾波器耦合至500 Ω負(fù)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(jìn)，直接在500 Ω負(fù)載上測(cè)得。波形CH2是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號(hào)，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(lái)評(píng)估電路的功耗性能。

在第一種方法中，測(cè)量來(lái)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(jìn)行在線測(cè)量，DEMO-AD5700D2Z在10 Ω電阻兩側(cè)的REGOUT輸出濾波器中均有測(cè)試點(diǎn)(T5，T6)，如圖6所示。此設(shè)置允許對(duì)電阻上的壓降進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)電流進(jìn)行計(jì)算，而無(wú)需打斷電源電流或干擾電路。

結(jié)果顯示在表2中，測(cè)量條件如下：

. REGOUT = 3.3 V

. ADuCM360 M3內(nèi)核時(shí)鐘 = 2 MHz

. 兩個(gè)ADC每秒均轉(zhuǎn)換50個(gè)樣本

. ADC0的兩個(gè)緩沖器均開(kāi)啟，增益 = 8

. ADC1的兩個(gè)緩沖器均開(kāi)啟，增益 = 16

. RTD激勵(lì)電流 = 200 μA

. SPI與AD5421通信的串行時(shí)鐘 = 100 kHz

. HART通信

電路及所有相關(guān)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(shí)，許可的預(yù)算之內(nèi)。

表2. AD5421的電源電流(REGOUT = 3.3V)

在評(píng)估電路功耗的第二種方法中，電路經(jīng)驗(yàn)證正常工作，執(zhí)行HART通信任務(wù)時(shí)的模擬輸出電流設(shè)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(hào)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(cè)試主要針對(duì)噪聲以及相關(guān)的系統(tǒng)分辨率性能。

該演示配置為從主模擬輸入通過(guò)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(gè)樣本，完成基本數(shù)據(jù)分析以便量化性能。兩項(xiàng)測(cè)試包括：

. 第一項(xiàng)測(cè)試將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(Honeywell 24PCDFA6D)直接焊接至電路板上。

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

性能總結(jié)見(jiàn)表3，圖8和圖9顯示信號(hào)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(guò)HART通信路徑向主機(jī)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)(以°C表示)。對(duì)100個(gè)樣本執(zhí)行兩項(xiàng)測(cè)試，以便進(jìn)行性能的量化分析。

第一項(xiàng)測(cè)試采用板載100 Ω鉑電阻傳感器進(jìn)行，第二項(xiàng)測(cè)試則采用標(biāo)準(zhǔn)(固定)100 Ω ± 1%電阻代替板載傳感器進(jìn)行。

性能總結(jié)見(jiàn)表4，圖10和圖11顯示信號(hào)曲線圖。

表4. 輔助傳感器輸入噪聲性能

輸出保護(hù)

瞬變電壓抑制器(TVS)保護(hù)4 mA至20 mA HART接口免受過(guò)壓影響。其額定電壓不應(yīng)超過(guò)AD5421在REGIN引腳上的60 V絕對(duì)最大電壓。請(qǐng)注意，TVS泄漏電流可能會(huì)影響電流輸出精度;因此，選用此器件時(shí)，需關(guān)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(hù)功能，通過(guò)與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對(duì)二極管保護(hù)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(luò)的規(guī)格限制，請(qǐng)勿在環(huán)路端點(diǎn)處使用更高數(shù)值的電容。

4.7 V低泄露齊納二極管保護(hù)AD5421的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測(cè)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(duì)ADuCM360編程或調(diào)試電路時(shí))。

電源和電源管理

包括傳感器驅(qū)動(dòng)電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場(chǎng)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(duì)所有環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)計(jì)而言，都是一個(gè)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(gè)實(shí)例。應(yīng)用中用到的全部三個(gè)集成電路均針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，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(guò)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(xiàng)，作為所用輸入傳感器的一個(gè)實(shí)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(yīng)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(lái)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(duì)于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器通過(guò)一個(gè)額外的RC濾波器供電(470 Ω/1 μF)。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中的作用非常重要，因?yàn)樗煞乐笰D5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路輸出進(jìn)行耦合;若非如此，將影響HART通信。在靜默測(cè)試期間，特地通過(guò)HART帶內(nèi)噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪聲性能問(wèn)題。AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過(guò)將XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達(dá)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(shí)鐘選項(xiàng)，并且當(dāng)軟件調(diào)用時(shí)，允許針對(duì)特定的儀器應(yīng)用，在要求的功能、性能和功耗之間取得最佳平衡。請(qǐng)參考ADuCM360產(chǎn)品頁(yè)面和AN-1111應(yīng)用指南。

模擬前端AVDD通過(guò)另一個(gè)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(duì)低壓傳感器信號(hào)減少電源噪聲，獲得更佳性能。

ADuCM360的GND_SW接地開(kāi)關(guān)引腳控制主傳感器的激勵(lì)和電源。儀器上電時(shí)，開(kāi)關(guān)默認(rèn)為關(guān)閉。這一默認(rèn)設(shè)定允許在開(kāi)啟傳感器之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面配置，包括適當(dāng)?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(guò)軟件完全控制其電源輸入。

ADuCM360軟件

可在CN-0267設(shè)計(jì)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(jī)命令響應(yīng)，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(jiàn)變化

ADuCM360具有一個(gè)高性能且非常靈活的模擬前端，提供12個(gè)模擬輸入引腳以及供基準(zhǔn)電壓源和接地開(kāi)關(guān)使用的額外引腳。它允許與多個(gè)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(chǎng)儀器，這款現(xiàn)場(chǎng)儀器解決方案并不局限于溫度補(bǔ)償型壓力測(cè)量。

在模擬前端只需一個(gè)Σ-Δ型ADC的應(yīng)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(qǐng)參見(jiàn)CN-0300。

AD5421可通過(guò)保護(hù)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(gè)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(duì)HART通信無(wú)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?yàn)闊o(wú)需使用外部晶體，因此該方案同時(shí)節(jié)省了成本，降低了所需的電路板面積。

對(duì)于非環(huán)路供電的應(yīng)用，則AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是針對(duì)4 mA至20 mA DAC不錯(cuò)的選擇。

電路評(píng)估與測(cè)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(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。連接器具有0.1英寸的引腳間距，允許使用可選的主級(jí)和次級(jí)傳感器連接。HART兼容性測(cè)試可能需要用到HART RTS和DC信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)。

DEMO-AD5700D2Z邊沿上的連接器使ADuCM360信號(hào)線和UART下載/調(diào)試信號(hào)可被訪問(wèn)，讓軟件開(kāi)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(kuò)展器(隨DEMO-AD5700D2Z板一同提供)，兼容ADI的所有基于Cortex-M3的開(kāi)發(fā)工具，例如EVAL-ADuCM360QSPZ評(píng)估套件(該評(píng)估套件不隨DEMO-AD5700D2Z板提供)。

圖1的簡(jiǎn)化框圖中未顯示這些特性;然而，可在CN-0267設(shè)計(jì)支持包中的完整電路圖上看到它們。設(shè)計(jì)支持包還包括完整的現(xiàn)場(chǎng)儀器C語(yǔ)言代碼示例，可用來(lái)對(duì)全部硬件模塊和電路特性進(jìn)行完整的驗(yàn)證與評(píng)估，并對(duì)HARt接口的功能性提供一定程度的驗(yàn)證。有關(guān)HART接口規(guī)格和資源的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系HART通信基金會(huì)。

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

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

涉及的兩項(xiàng)測(cè)試為：靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。