具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現場(chǎng)儀器

連接/參考器件

ADuCM360：低功耗、精密模擬微控制器

AD5421：16位、環(huán)路供電、4 mA至20 mA DAC

AD5700：低功耗HART調制解調器

評估和設計支持

電路評估板

CN0267電路評估板(DEMO-AD5700D2Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、代碼示例

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的智能工業(yè)環(huán)路供電現場(chǎng)儀器，提供4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠程傳感器高速通道(HART)接口。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(gè)1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。它可實(shí)現眾多功能，例如遠程校準、故障查詢(xún)和過(guò)程變量傳輸;這些功能在諸如溫度和壓力控制等應用中是必須的。

該電路已通過(guò)兼容性測試和驗證，并通過(guò)了HART通信基金會(huì )(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設計人員極其放心地使用電路中的一個(gè)或全部元件。

該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、4 mA至20 mA 16位環(huán)路供電數模轉換器(DAC) AD5421，以及業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器AD5700。

電路描述

模擬前端接口

ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模數轉換器(ADC)。同時(shí)還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程電流源、靈活的多路復用器以及其它許多特性。該器件允許直接與多個(gè)模擬傳感器對接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業(yè)用途的其它各類(lèi)傳感器。

圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的示例電路。而ADuCM360具有靈活的前端，允許進(jìn)行除此之外的其它各種配置，滿(mǎn)足各種類(lèi)型的精密模擬傳感器應用要求。

主傳感器輸入

ADuCM360的片內ADC0測量現場(chǎng)儀器的主傳感器，在圖1中表示為橋式傳感器。該傳感器通過(guò)一個(gè)RC濾波器網(wǎng)絡(luò )連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強系統抵抗電磁干擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF-基準電壓輸入檢測電橋的激勵電壓并啟動(dòng)電路的比率工作模式，使測量獨立于傳感器電源電壓的確切值。若應用需要，則片內接地開(kāi)關(guān)可動(dòng)態(tài)斷開(kāi)電橋的激勵電壓，降低功耗。

輔助傳感器輸入

本電路使用100 Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測器(RTD)作為輔助傳感器。RTD能夠檢測主傳感器的溫度，因此，如果必要，可對主傳感器進(jìn)行溫度補償。

ADuCM360可編程電流源通過(guò)AIN4引腳為RTD提供電源。ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2引腳，測量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對流過(guò)RTD的確切電流值進(jìn)行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。ADC1使用片內帶隙基準電壓源。

數字數據處理、算法和通信

所有現場(chǎng)儀器的數字功能均由ADuCM360 32位ARM Cortex M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節非易失性flash/EE存儲器、8 k字節SRAM，以及一個(gè)支持有線(xiàn)(2× SPI、UART、I2C)通信外設的11通道直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)控制器。

演示軟件可進(jìn)行初始化和配置、處理來(lái)自模擬輸入的數據、控制模擬輸出，并進(jìn)行HART通信。

模擬輸出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅動(dòng)器，可提供現場(chǎng)儀器模擬輸出所需的全部功能。

AD5421通過(guò)SPI接口與ADuCM360控制器對接。

AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關(guān)的診斷功能。輔助ADC可通過(guò)連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測量?jì)x器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過(guò)集成式傳感器測量芯片溫度。ADuCM360控制器可配置并讀取AD5421的全部診斷數據，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之間的通信發(fā)生故障，AD5421將在一段時(shí)間后自動(dòng)設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。此報警電流將現場(chǎng)儀器工作故障這一情況匯報給主機。

輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART通信產(chǎn)生干擾。(參見(jiàn)“模擬變化率”部分)。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK調制解調器。該調制解調器通過(guò)標準UART接口，伴隨請求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD)信號實(shí)現與ADuCM360控制器的連接。

HART輸出通過(guò)0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅動(dòng)和調制輸出電流。

HART輸入通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的有源RC濾波器，從LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一級，用作HART解調器的帶通濾波器，同時(shí)增強系統抵抗電磁干擾的能力——這對于穩定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應用而言非常重要。

AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調制解調器的時(shí)鐘。

靜默期間的輸出噪聲測試

當HART設備沒(méi)有進(jìn)行傳輸(靜默)時(shí)，噪聲不應耦合至網(wǎng)絡(luò )上。噪聲過(guò)高可能會(huì )干擾設備本身或網(wǎng)絡(luò )上的其它設備對HART信號的接收。

對于在環(huán)路中的500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過(guò)2.2 mV rms。此外，HART擴展頻帶外的噪聲不應超過(guò)138 mV rms。

500 Ω負載上的噪聲采用真均方根測量?jì)x測得。此噪聲作為帶外噪聲直接進(jìn)行測量，作為帶內噪聲通過(guò)HCF_TOOL-31濾波器測量。也可使用示波器來(lái)檢查噪聲波形。

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

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