完整的4mA至20mA HART解決方案

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示的電路使用 AD5700——業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC調(diào)制解調(diào)器，以及AD5420 16位電流輸出DAC，形成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。

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. AD5420 HART使能電路簡化原理圖

該電路符合由HART通信基金會定義的HART物理層規(guī)范，例如模擬變化率和靜默期間噪聲規(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(jìn)行一個過程變量的單向通信。

可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)實現(xiàn)了高性能的雙向數(shù)字通信，同時支持傳統(tǒng)儀器儀表設(shè)備所使用的4 mA至20 mA模擬信號。它衍生出各種特性，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和額外過程變量的傳輸。簡言之，HART是一種數(shù)字雙向通信系統(tǒng)，其在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調(diào)制一個1 mA p-p頻移鍵控(FSK)信號。

電路描述

圖1顯示AD5420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。從AD5700輸出的HART_OUT信號經(jīng)過衰減后，交流耦合至AD5420的RSET引腳。如果未使用外部 RSET 電阻，連接AD5420和AD5700的替代方法請參見應(yīng)用筆記AN-1065 ，其中AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器輸出通過CAP2引腳耦合到AD5420。本電路筆記中所述的方法是需要使用外部RSET電阻，其電源抑制性能要高于應(yīng)用筆記的替代方法。無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 D4)將在瞬變電壓保護(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可配合器件的數(shù)字壓擺率控制功能使用，以控制AD5420對應(yīng)的IOUT信號的壓擺率。確定電容的絕對值時，要確保調(diào)制解調(diào)器的FSK輸出無失真通過。因此，調(diào)制解調(diào)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(xiàn)此要求的電路。在此情況下C2保持開路。

圖3. AD5420/AD5410和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)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AD5420的一些內(nèi)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(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顯示了增加各元件值而剩余元件值保持不變對頻率響應(yīng)的影響。

圖4. 仿真頻率響應(yīng)

調(diào)制解調(diào)器的輸出是一個FSK信號，由1200 Hz和2200 Hz移動頻率組成。這個信號需要轉(zhuǎn)換為1個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AD5420有內(nèi)部電流增益配置設(shè)計。假定調(diào)制解調(diào)器的輸出幅度為500 mV峰峰值，則其輸出必須經(jīng)過500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過RH 和 CL來實現(xiàn)。

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是在500 Ω負(fù)載電阻上分別測得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5420輸出中的調(diào)制HART信號(設(shè)置為輸出4 mA)，而通道2顯示AD5700 TXD信號。

圖5. 在500 Ω負(fù)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物理層規(guī)范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。其中最重要的兩個是靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。

靜默期間的輸出噪聲

當(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸(靜默)時，不應(yīng)在HART擴(kuò)展頻帶中有噪聲耦合到網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備對HART信號的接收。

對于在500 Ω負(fù)載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和擴(kuò)展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV(有效值)。此噪聲通過在500 Ω負(fù)載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀(參見圖6)來測量。也可使用示波器來檢查輸出波形峰峰值電壓。

AD5420輸出電流設(shè)置為4 mA、12 mA和20 mA。測得噪聲沒有明顯差異。使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時，測得的均方根值分別為115 μV rms和252 μV rms。這兩個值均在要求的2.2 mV rms(使用HART濾波器)和138 mV rms(不使用HART濾波器的寬帶噪聲)規(guī)范內(nèi)。

圖6. HART規(guī)范測試電路

圖7和圖8分別顯示4 mA和12 mA輸出電流的示波器曲線圖。請注意，濾波器的通帶增益為10。通道1和通道2分別顯示濾波器的輸入和輸出。