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

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(shè)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(shè)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(shè)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(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，許可的預(yù)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(wù)時的模擬輸出電流設(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(guān)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(yīng)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(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(luò)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(shè)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(yīng)用中用到的全部三個集成電路均針對低功耗而設(shè)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(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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)引腳控制主傳感器的激勵和電源。儀器上電時，開關(guān)默認為關(guān)閉。這一默認設(shè)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(shè)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(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(guān)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(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(yīng)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(shè)計支持包中的完整電路圖上看到它們。設(shè)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(guān)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(shè)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。