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

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調制解調器AD5700和16位電流輸出和電壓輸出DAC AD5422，構成完整的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)模塊應用中所需的螺絲連接數量。為了進一步節(jié)省空間，AD5700-1 提供了精度為0.5%的內部振蕩器。

圖1. AD5422 HART使能電路原理示意圖

應用筆記 AN-1065 描述了為符合HART通信標準而對AD5420 IOUT DAC進行配置的方式。AN-1065概述了AD5700HART調制解調器輸出如何進行衰減并通過CAP2引腳交流耦合至AD5420。AD5422也是如此。然而，如果應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)射器應用中。目前的電路筆記與AD5422相關;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)應用。AD5422提供40引腳LFCS和24引腳TSSOP封裝，這點與電路特性的相關性將在“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，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行一個過程變量的單向通信。

可尋址遠程傳感器高速通道(HART)標準的開發(fā)實現了高性能的雙向數字通信，同時支持傳統(tǒng)儀器儀表設備所使用的4 mA至20 mA模擬信號。它衍生出各種特性，例如遠程校準、故障查詢和額外過程變量的傳輸。簡言之，HART是一種數字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調制一個1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。

電路描述

圖1顯示AD5422如何與AD5700 HART調制解調器和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。如果應用無需短接IOUT和VOUT引腳，則不一定需要連接至+VSENSE引腳的緩沖器。來自AD5700的HART_OUT信號經衰減后，交流耦合至AD5422的RSET引腳。如果未使用外部RSET電阻，通過CAP2引腳連接AD5422和AD5700的替代方法請參見應用筆記AN-1065，如前文所述。此方法只適用于AD5422的40引腳LFCSP封裝選項，因為引腳數量較少的24引腳TSSOP封裝沒有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用筆記解決方案。無論使用哪一種解決方案，AD5700 HART調制解調器輸出均可在不影響電流直流電平的前提下調制4 mA至20 mA模擬電流(如圖2所示)。二極管保護電路(D1至D4)將在“瞬態(tài)電壓保護”部分詳細論述。

圖2. AD5700/AD5700-1樣片調制器波形

確定外部元件值

C1和C2電容可配合器件的數字壓擺率控制功能使用，以控制AD5422的IOUT信號壓擺率。確定電容的絕對值時，要確保調制解調器的FSK輸出無失真通過。因此，調制解調器輸出信號的帶寬必須通過1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實現此要求的電路。在此情況下，C2(如圖1所示)保持開路。

圖3. AD5422和AD5700 HART調制解調器連接

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AD5422的一些內部電路來形成。在計算這些元件的值時，低通和高通頻率截止點目標分別為>10 kHz和500 Hz。圖4顯示了仿真頻率響應的曲線圖，表1顯示了增加各元件而剩余元件值保持恒定對頻率響應的影響。

圖4. 仿真頻率響應

表1. 個別元件值增加對頻率響應的影響

調制解調器的輸出是一個FSK信號，包括1200 Hz和2200Hz移頻。這個信號必須轉換為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AD5422采用內部電流增益配置設計。假定調制解調器的輸出幅度為500 mVp-p，則其輸出必須經過500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過RH和CL來實現。

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表明在500Ω負載電阻上分別測得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5422輸出中的調制HART信號(設置為輸出4 mA)，通道2則顯示AD5700 TXD信號。

圖5. 在500Ω負載上測得的FSK波形

HART兼容性

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