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調制解調器，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)一步節省空間， AD5700-1 提供了精度為0.5%的內部振蕩器。

圖1. AD5420 HART使能電路簡(jiǎn)化原理圖

該電路符合由HART通信基金會(huì )定義的HART物理層規范，例如模擬變化率和靜默期間噪聲規格。

多年來(lái)，過(guò)程控制儀器儀表中一直使用4 mA至20 mA通信。此通信方式穩定可靠，對長(cháng)距離通信中的環(huán)境干擾具有高抗擾度。不過(guò)，其限制是每次只能進(jìn)行一個(gè)過(guò)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(kāi)發(fā)實(shí)現了高性能的雙向數字通信，同時(shí)支持傳統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(xún)和額外過(guò)程變量的傳輸。簡(jiǎn)言之，HART是一種數字雙向通信系統，其在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調制一個(gè)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調制解調器和UART接口配合使用，以使PLC和DCS系統常用的4 mA至20 mA電流輸出支持HART。從AD5700輸出的HART_OUT信號經(jīng)過(guò)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(jiàn)應用筆記AN-1065 ，其中AD5700 HART調制解調器輸出通過(guò)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用筆記的替代方法。無(wú)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 D4)將在瞬變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可配合器件的數字壓擺率控制功能使用，以控制AD5420對應的IOUT信號的壓擺率。確定電容的絕對值時(shí)，要確保調制解調器的FSK輸出無(wú)失真通過(guò)。因此，調制解調器輸出信號的帶寬必須通過(guò)1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實(shí)現此要求的電路。在此情況下C2保持開(kāi)路。

圖3. AD5420/AD5410和AD5700 HART調制解調器連接

低通和高通濾波器電路通過(guò)RH、CL、 CH和 C1的相互作用并配合AD5420的一些內部電路來(lái)形成。在計算這些元件的值時(shí)，低通和高通頻率截止點(diǎn)目標分別為>10 kHz和500 Hz。圖4顯示了仿真頻率響應的曲線(xiàn)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的影響。

圖4. 仿真頻率響應

調制解調器的輸出是一個(gè)FSK信號，由1200 Hz和2200 Hz移動(dòng)頻率組成。這個(gè)信號需要轉換為1個(gè)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有內部電流增益配置設計。假定調制解調器的輸出幅度為500 mV峰峰值，則其輸出必須經(jīng)過(guò)500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過(guò)RH 和 CL來(lái)實(shí)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是在500 Ω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AD5420輸出中的調制HART信號(設置為輸出4 mA)，而通道2顯示AD5700 TXD信號。

圖5. 在500 Ω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物理層規范。HART規范文檔中包含了眾多物理層規范。其中最重要的兩個(gè)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HART設備沒(méi)有進(jìn)行傳輸(靜默)時(shí)，不應在HART擴展頻帶中有噪聲耦合到網(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500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和擴展頻帶中的相關(guān)噪聲總和不能超過(guò)2.2 mV(有效值)。此噪聲通過(guò)在500 Ω負載上連接HCF_TOOL-31濾波器(可從HART通信基金會(huì )獲得)并將濾波器輸出連接到真均方根測量?jì)x(參見(jiàn)圖6)來(lái)測量。也可使用示波器來(lái)檢查輸出波形峰峰值電壓。

AD5420輸出電流設置為4 mA、12 mA和20 mA。測得噪聲沒(méi)有明顯差異。使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時(shí)，測得的均方根值分別為115 μV rms和252 μV rms。這兩個(gè)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)規范內。

圖6. HART規范測試電路

圖7和圖8分別顯示4 mA和12 mA輸出電流的示波器曲線(xiàn)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。