有HART接口的完整4mA至20mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器

電源和電源管理

　　包括傳感器驅(qū)動(dòng)電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場(chǎng)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(duì)所有環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)計(jì)而言，都是一個(gè)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(gè)實(shí)例。應(yīng)用中用到的全部三個(gè)集成電路均針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，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(xiàng)，作為所用輸入傳感器的一個(gè)實(shí)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(duì)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(gè)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?yàn)樗煞乐笰D5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路輸出進(jìn)行耦合；若非如此，將影響HART通信。在靜默測(cè)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(dá)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(shí)鐘選項(xiàng)，并且當(dāng)軟件調(diào)用時(shí)，允許針對(duì)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(qǐng)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(gè)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(duì)低壓傳感器信號(hào)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(lì)和電源。儀器上電時(shí)，開關(guān)默認(rèn)為關(guān)閉。這一默認(rèn)設(shè)定允許在開啟傳感器之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面配置，包括適當(dāng)?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(jì)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(jī)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(gè)高性能且非常靈活的模擬前端，提供12個(gè)模擬輸入引腳以及供基準(zhǔn)電壓源和接地開關(guān)使用的額外引腳。它允許與多個(gè)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(chǎng)儀器，這款現(xiàn)場(chǎng)儀器解決方案并不局限于溫度補(bǔ)償型壓力測(cè)量。

　　在模擬前端只需一個(gè)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(qǐng)參見CN-0300.

　　AD5421可通過保護(hù)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(gè)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(duì)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?yàn)闊o需使用外部晶體，因此該方案同時(shí)節(jié)省了成本，降低了所需的電路板面積。

　　對(duì)于非環(huán)路供電的應(yīng)用，則AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是針對(duì)4 mA至20 mA DAC不錯(cuò)的選擇。

　　電路評(píng)估與測(cè)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(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。連接器具有0.1英寸的引腳間距，允許使用可選的主級(jí)和次級(jí)傳感器連接。HART兼容性測(cè)試可能需要用到HART RTS和DC信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)。

　　DEMO-AD5700D2Z邊沿上的連接器使ADuCM360信號(hào)線和UART下載/調(diào)試信號(hào)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(kuò)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(píng)估套件（該評(píng)估套件不隨DEMO-AD5700D2Z板提供）。

　　圖1的簡(jiǎn)化框圖中未顯示這些特性；然而，可在CN-0267設(shè)計(jì)支持包中的完整電路圖上看到它們。設(shè)計(jì)支持包還包括完整的現(xiàn)場(chǎng)儀器C語言代碼示例，可用來對(duì)全部硬件模塊和電路特性進(jìn)行完整的驗(yàn)證與評(píng)估，并對(duì)HARt接口的功能性提供一定程度的驗(yàn)證。有關(guān)HART接口規(guī)格和資源的詳細(xì)信息，請(qǐng)聯(lián)系HART通信基金會(huì)。

　　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(yàn)證，該驗(yàn)證采用HART物理層測(cè)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(huì)，并成功注冊(cè)。

　　可在HART通信基金會(huì)（HFC）網(wǎng)站上找到該注冊(cè)電路，產(chǎn)品目錄為：DEMO-AD5700D2Z.

　　涉及的兩項(xiàng)測(cè)試為：靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。

　　靜默期間的輸出噪聲測(cè)試

　　當(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸（靜默）時(shí)，噪聲不應(yīng)耦合至網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會(huì)干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備對(duì)HART信號(hào)的接收。

　　對(duì)于在環(huán)路中的500 Ω負(fù)載上測(cè)得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴(kuò)展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms.此外，HART擴(kuò)展頻帶外的噪聲不應(yīng)超過138 mV rms.

　　500 Ω負(fù)載上的噪聲采用真均方根測(cè)量儀測(cè)得。此噪聲作為帶外噪聲直接進(jìn)行測(cè)量，作為帶內(nèi)噪聲通過HCF_TOOL-31濾波器測(cè)量。也可使用示波器來檢查噪聲波形。

　　在最差情況下進(jìn)行噪聲測(cè)量，即4 mA輸出電流。圖4顯示捕獲的噪聲波形，結(jié)果總結(jié)在表1中。

表1. 靜默時(shí)的輸出噪聲

　　模擬變化率測(cè)試 這一技術(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)模擬輸出電流時(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)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(kuò)展頻帶下，通過對(duì)500 Ω負(fù)載進(jìn)行測(cè)量得到。

　　AD5421 DAC和輸出驅(qū)動(dòng)器相對(duì)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(dāng)模擬輸出電流值需要改變較大的步進(jìn)時(shí)，ADuCM360軟件將發(fā)送到AD5421 DAC的輸出電流變化分割成數(shù)個(gè)較小的步進(jìn)。

　　使用一個(gè)示波器執(zhí)行該測(cè)試，并通過HCF_TOOL-31濾波器耦合至500 Ω負(fù)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(jìn)，直接在500 Ω負(fù)載上測(cè)得。波形CH2是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號(hào)，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(píng)估電路的功耗性能。

　　在第一種方法中，測(cè)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(jìn)行在線測(cè)量，DEMO-AD5700D2Z在10 Ω電阻兩側(cè)的REGOUT輸出濾波器中均有測(cè)試點(diǎn)（T5,T6），如圖6所示。此設(shè)置允許對(duì)電阻上的壓降進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)電流進(jìn)行計(jì)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(cè)量條件如下：

　　.REGOUT = 3.3 V

　　.ADuCM360 M3內(nèi)核時(shí)鐘 = 2 MHz

　　.兩個(gè)ADC每秒均轉(zhuǎn)換50個(gè)樣本

　　.ADC0的兩個(gè)緩沖器均開啟，增益 = 8

　　.ADC1的兩個(gè)緩沖器均開啟，增益 = 16

　　.RTD激勵(lì)電流 = 200 μA

　　.SPI與AD5421通信的串行時(shí)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(shí)，許可的預(yù)算之內(nèi)。

表2. AD5421的電源電流（REGOUT = 3.3V）