具有額外電壓輸出能力的完整4 mA至20 mA HART解決

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路使用業(yè)界功耗最低且尺寸的HART®1兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700和16位電流輸出和電壓輸出DAC AD5422，構(gòu)成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。該電路中采用 OP184，使得IOUT和VOUT引腳能夠短接在一起，從而減少可編程邏輯控制(PLC)模塊應(yīng)用中所需的螺絲連接數(shù)量。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. AD5422 HART使能電路原理示意圖

應(yīng)用筆記 AN-1065 描述了為符合HART通信標(biāo)準(zhǔn)而對(duì)AD5420 IOUT DAC進(jìn)行配置的方式。AN-1065概述了AD5700HART調(diào)制解調(diào)器輸出如何進(jìn)行衰減并通過(guò)CAP2引腳交流耦合至AD5420。AD5422也是如此。然而，如果應(yīng)用中涉及特別惡劣的環(huán)境，則可采用一種電源抑制特性更加的替代電路配置。這種替代電路要求使用外部RSET電阻，并涉及到將HART信號(hào)耦合至AD5420或AD5422的RSET引腳。CN-0270描述了AD5420的這種解決方案，通常是在線路供電的發(fā)射器應(yīng)用中。目前的電路筆記與AD5422相關(guān);與AD5420不同，該器件提供電壓和電流輸出引腳，因此特別適合PLC/分布式控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用。AD5422提供40引腳LFCS和24引腳TSSOP封裝，這點(diǎn)與電路特性的相關(guān)性將在“電路描述”部分加以介紹。

該電路符合由HART通信基金會(huì)定義的HART物理層規(guī)范，例如靜默期間輸出噪聲和模擬變化率規(guī)格。

多年來(lái)，過(guò)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(duì)長(zhǎng)距離通信中的環(huán)境干擾具有高抗擾度。不過(guò)，其限制是每次只能進(jìn)行一個(gè)過(guò)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(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了高性能的雙向數(shù)字通信，同時(shí)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(hào)。它衍生出各種特性，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢(xún)和額外過(guò)程變量的傳輸。簡(jiǎn)言之，HART是一種數(shù)字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號(hào)之上調(diào)制一個(gè)1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號(hào)。

電路描述

圖1顯示AD5422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。如果應(yīng)用無(wú)需短接IOUT和VOUT引腳，則不一定需要連接至+VSENSE引腳的緩沖器。來(lái)自AD5700的HART_OUT信號(hào)經(jīng)衰減后，交流耦合至AD5422的RSET引腳。如果未使用外部RSET電阻，通過(guò)CAP2引腳連接AD5422和AD5700的替代方法請(qǐng)參見(jiàn)應(yīng)用筆記AN-1065，如前文所述。此方法只適用于AD5422的40引腳LFCSP封裝選項(xiàng)，因?yàn)橐_數(shù)量較少的24引腳TSSOP封裝沒(méi)有CAP2引腳。

雖然本電流電路筆記中描述的方法需要使用外部RSET電阻，但其電源抑制性能卻高于替代應(yīng)用筆記解決方案。無(wú)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(hù)電路(D1至D4)將在“瞬態(tài)電壓保護(hù)”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電容可配合器件的數(shù)字壓擺率控制功能使用，以控制AD5422的IOUT信號(hào)壓擺率。確定電容的絕對(duì)值時(shí)，要確保調(diào)制解調(diào)器的FSK輸出無(wú)失真通過(guò)。因此，調(diào)制解調(diào)器輸出信號(hào)的帶寬必須通過(guò)1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實(shí)現(xiàn)此要求的電路。在此情況下，C2(如圖1所示)保持開(kāi)路。

圖3. AD5422和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器連接

低通和高通濾波器電路通過(guò)RH、CL、CH和C1的相互作用并配合AD5422的一些內(nèi)部電路來(lái)形成。在計(jì)算這些元件的值時(shí)，低通和高通頻率截止點(diǎn)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顯示了增加各元件而剩余元件值保持恒定對(duì)頻率響應(yīng)的影響。

圖4. 仿真頻率響應(yīng)

表1. 個(gè)別元件值增加對(duì)頻率響應(yīng)的影響

調(diào)制解調(diào)器的輸出是一個(gè)FSK信號(hào)，包括1200 Hz和2200Hz移頻。這個(gè)信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為1 mA峰峰值電流信號(hào)。為此，RSET引腳上的信號(hào)幅度必須衰減。這是因?yàn)锳D5422采用內(nèi)部電流增益配置設(shè)計(jì)。假定調(diào)制解調(diào)器的輸出幅度為500 mVp-p，則其輸出必須經(jīng)過(guò)500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過(guò)RH和CL來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本電路筆記中的測(cè)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表明在500Ω負(fù)載電阻上分別測(cè)得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5422輸出中的調(diào)制HART信號(hào)(設(shè)置為輸出4 mA)，通道2則顯示AD5700 TXD信號(hào)。

圖5. 在500Ω負(fù)載上測(cè)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物范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。其要的兩個(gè)是靜默期間輸出噪聲和模擬變化率。