具有額外電壓輸出能力的完整4 mA至20 mA HART解決方案

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9. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時(shí)鐘= 3，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC

圖9顯示了AD5422的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為82 mV，處于規(guī)定范圍以內(nèi)。壓擺率設(shè)置為SR時(shí)鐘= 3和SR階躍= 2，從4 mA至20 mA的轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)為約120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未連接。如果這個(gè)變化率太低，可以縮短壓擺時(shí)間。采用C1 = 4.7 nF且C2未連接的電路配置時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)壓擺時(shí)間設(shè)為80 ms(SR時(shí)鐘= 1，SR階躍= 2)時(shí)，所得到的模擬變化率符合HART規(guī)范。然而，如果將壓擺時(shí)間進(jìn)一步縮短至60 ms(SR時(shí)鐘= 0，SR階躍=2)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果超出150 mV規(guī)格范圍。從CAP1連接至AVDD的電容可用于抵消濾波器輸出端因壓擺時(shí)間過快而導(dǎo)致的峰值電壓增加。然而，選擇此值時(shí)必須小心，因?yàn)樗鼤?huì)影響“確定外部元件值”部分討論的低通濾波器截止頻率。

圖10顯示了壓擺率控制設(shè)置改為SR時(shí)鐘= 5、SR階躍= 2且C1電容值保持4.7 nF不變的結(jié)果。這樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間就會(huì)在240 ms左右。濾波器輸出端的峰值幅度可通過增加C1值、配置更慢的壓擺率或通過兩者的組合來進(jìn)一步降低。

圖10. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時(shí)鐘= 5，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC

瞬態(tài)電壓保護(hù)

AD5422 內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可防止正常操作造成的損害。但是，工業(yè)控制環(huán)境會(huì)使I/O電路遭受高得多的瞬變。為了防止過高瞬態(tài)電壓影響AD5422，可能需要外部功率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖1所示。對(duì)電阻值的約束條件(圖1中顯示為18Ω)是，在正常工作期間，IOUT的輸出電平必須保持在其順從電壓限值(AVDD − 2.5 V)以內(nèi)，并且這兩個(gè)保護(hù)二極管和電阻必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率。在18Ω的條件下，對(duì)于4 mA至20 mA輸出，引腳處的順從限值降低V = IMAX × R = 0.36 V。 OP184 緩沖器的正輸入端還連接了一個(gè)10 kΩ電阻，用以限制瞬態(tài)期間的電流來保護(hù)放大器。通過瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的保護(hù)。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種各樣的隔離和擊穿電壓額定值。TVS應(yīng)盡量采用最低擊穿電壓定標(biāo)，同時(shí)在電流輸出的功能范圍內(nèi)不導(dǎo)通。建議保護(hù)所有遠(yuǎn)程連接節(jié)點(diǎn)。

在許多過程控制應(yīng)用中，需要在控制器與受控單元之間提供一個(gè)隔離柵，以保護(hù)和隔離控制電路，防止危險(xiǎn)的共模電壓破壞電路。

ADI公司的iCoupler系列產(chǎn)品可隔離高于2.5 kV的電壓。有關(guān)iCoupler產(chǎn)品的詳情，請(qǐng)?jiān)L問 www.analog.com/icouplers為了減少所需隔離器的數(shù)量，CLEAR等非關(guān)鍵信號(hào)可以連到GND;FAULT和SDO可以不連接，從而只需要隔離三個(gè)信號(hào)。不過請(qǐng)注意，F(xiàn)AULT或SDO引腳是訪問AD5422的故障檢測(cè)功能所必需的。

常見變化

圖1所示電路的一個(gè)常見變化是使用 AD5422AD5420，它類似于AD5422，但只有一個(gè)電流輸出。因此，其輸出端沒有OP184緩沖器配置。這種AD5420和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器電路詳見CN-0270。電路筆記CN-0065提供有關(guān)IEC61000兼容解決方案的額外信息，該解決方案適合使用AD5422和ADuM1401數(shù)字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記CN-0233包含有關(guān)提供電源和數(shù)據(jù)隔離的信息，所使用的是ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅(qū)動(dòng)器。

如果需要多個(gè)通道，可使用AD5755-1四通道電壓和電流輸出DAC。該產(chǎn)品具有創(chuàng)新型片內(nèi)動(dòng)態(tài)電源控制功能，在電流模式下，可以最大限度地降低封裝功耗。各通道均有一個(gè)相應(yīng)的CHARTx引腳， 因此HART信號(hào)可以耦合至AD5755-1的電流輸出端。

電路評(píng)估與測(cè)試

要構(gòu)建此電路， 需要使用 AD5422評(píng)估板 ( EVAL-AD5422EBZLFCSP P版本)和 AD5700-1評(píng)估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)1EBZ)，參見圖11。除了這兩個(gè)評(píng)估板之外，該電路還需要三個(gè)外部電容(C1、CH和CL)、一個(gè)電阻(RH)、一個(gè)負(fù)載電阻(RL)、一個(gè)緩沖放大器以及一個(gè)UART接口。

設(shè)備要求 需要以下設(shè)備：

· AD5422 評(píng)估板( EVAL-AD5422EBZ LFCSP版本)

· AD5700 評(píng)估板( EVAL-AD5700-1EBZ)

· 運(yùn)行Windows® XP的PC，帶USB端口

· 主機(jī)控制器和UART接口(標(biāo)準(zhǔn)微控制器， 例如 ADuC7060)

· 10.8 V至60 V的電源

· 數(shù)字測(cè)試濾波器(HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會(huì)獲得)

· 500Ω負(fù)載電阻

· OP184 放大器(位于單獨(dú)的試驗(yàn)板上且?guī)в羞B接線)

· 外部電容C1 (4.7 nF)、CH (8.2 nF)和CL (4.7 nF);電阻RH (27 kΩ)

· Tektronix DS1012B示波器或等同產(chǎn)品

圖11. 測(cè)試設(shè)置框圖

靜默期間噪聲測(cè)量 AD5422 LFCSP

如前文所述，對(duì)于靜默測(cè)試期間的輸出噪聲，AD5700調(diào)制解調(diào)器并未在發(fā)射數(shù)據(jù)(靜默)。AD5422設(shè)置為輸出所需的電流并通過HART通信基金會(huì)帶通濾波器。接著使用Tektronix TDS1012B示波器測(cè)量輸出噪聲;結(jié)果顯示輸出噪聲在HART通信基金會(huì)協(xié)議規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

模擬變化率測(cè)量 — AD5422 LFCSP

模擬變化率規(guī)范可確保當(dāng)AD5422調(diào)節(jié)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)。為進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，AD5422被編程為輸出一個(gè)4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個(gè)值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。所用的壓擺率設(shè)置為SR時(shí)鐘= 3和SR階躍= 2，C1設(shè)置為4.7 nF，C2保持開路。

此外，再將SR時(shí)鐘設(shè)置改變?yōu)?而不是3，并保持其它所有設(shè)置和元件值不變，從而進(jìn)一步降低壓擺率，由此另外進(jìn)行測(cè)量;至于相關(guān)影響，可比較圖9和圖10來得出。

靜默期間噪聲測(cè)量 —AD5422 TSSOP

另外還執(zhí)行了額外測(cè)量，以模擬AD5422 TSSOP封裝選項(xiàng)在這種配置下的表現(xiàn);不過，沒有連接在CAP1引腳的電容(C1)(因?yàn)榇似骷腡SSOP版本沒有CAP1引腳)。

雖然與有C1的LFCSP器件相比，沒有C1時(shí)測(cè)得的靜默期間輸出噪聲值更大，但還是在HART通信基金會(huì)協(xié)議規(guī)范要求的范圍內(nèi)。圖12和圖13中的通道2顯示了有HCF_TOOL-31濾波器時(shí)的寬帶噪聲，IOUT為4 mA時(shí)結(jié)果為530μV rms，IOUT為12 mA時(shí)結(jié)果為690μV rms?？蓪⑦@些曲線圖與圖7及圖8進(jìn)行比較，以體現(xiàn)有無C1的影響如何。

圖12. 無C1且輸出電流為4 mA時(shí)HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲

圖13. 無C1且輸出電流為12 mA時(shí)HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲

模擬變化率測(cè)量 — AD5422 TSSOP

從模擬變化率測(cè)試的角度來看，無論有無C1，最大峰值結(jié)果都相似。主要區(qū)別在于，沒有C1時(shí)，峰峰值本底噪聲要大得多。圖14和圖15分別是壓擺率為120 ms(SR時(shí)鐘= 3和SR階躍= 2)和240 ms(SR時(shí)鐘= 5和SR階躍= 2)時(shí)的模擬變化率曲線圖。

圖14. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時(shí)鐘= 3，SR階躍= 2，C1 = NC，C2 = NC

圖15. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時(shí)鐘= 5，SR階躍= 2，C1 = NC，C2 = NC

同樣，可將這些曲線圖與圖9及圖10進(jìn)行比較，以體現(xiàn)有無C1的影響如何。雖然這種電路配置中所用的HART耦合技術(shù)要求采用外部RSET電阻，但請(qǐng)注意，即使該電路的HART部分未實(shí)施，添加緩沖器也會(huì)在使用內(nèi)部RSET電阻時(shí)造成IOUT精度略微降低。因此，在使用這種緩沖器配置將電壓和電流輸出引腳連接在一起時(shí)，建議使用外部RSET電阻。