完整的4mA至20mA HART解決方案
加入技術(shù)交流群
圖7. HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲，輸出電流為4 MA
圖8. HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲，輸出電流為12 MA
模擬變化率
這一技術(shù)規范可確保當設備調節電流時(shí)，模擬電流的最大變化率不會(huì )干擾HART通信。電流的階躍變化是會(huì )擾亂HART信號。使用如圖6所示的相同測試電路。為進(jìn)行這個(gè)測試，AD5420編程輸出一個(gè)4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個(gè)值上都沒(méi)有延遲，以獲得最大變化率。為了符合HART規范，濾波器輸出端的波形的峰值電壓不能大于150 mV。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規定的直流至25 Hz頻帶中。
AD5420輸出從4 mA變?yōu)?0 mA的通常時(shí)間約為10 μs。這個(gè)速度顯然太快，而且會(huì )對HART網(wǎng)絡(luò )造成重大破壞。為了降低變化率，AD5420提供了兩種特性：一是在CAP1和CAP2引腳處連接電容，二是提供數字壓擺率控制功能(詳情請參考AD5420數據手冊 )。
要使帶寬降低到25 Hz以下，需要在CAP1和CAP2引腳處連接非常大的電容值。最佳解決方案是結合外部電容和AD5420的數字壓擺率控制功能。兩個(gè)電容C1和C2的作用是降低模擬信號的變化率;不過(guò)還不足以滿(mǎn)足規范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設置提供靈活性。
圖9. AD5420輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR CLOCK = 3，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC
圖9顯示AD5420的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為80 mV，處于規定范圍以?xún)?。壓擺率設置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，從4 mA至20 mA的轉換時(shí)間設為約120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未連接。如果這個(gè)變化率太慢，可以減少壓擺時(shí)間。但這會(huì )使濾波器輸出端的峰值電壓增加。從CAP1連接至AVDD 的電容可用于抵消此增加。
圖10顯示了壓擺率控制設置改為SR CLOCK = 5和SR STEP = 2，同時(shí)C1電容值保持4.7 nF不變的結果。這樣就會(huì )產(chǎn)生約240 ms的轉換時(shí)間。濾波器輸出端的峰值幅度可通過(guò)增加C1值、或配置更慢的壓擺率或通過(guò)兩者的組合來(lái)進(jìn)一步降低。
圖10. AD5420輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR CLOCK = 5，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC
瞬變電壓保護
AD5420內置ESD保護二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。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(guò)高瞬態(tài)電壓影響AD5420，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。對電阻值的約束條件(圖1中顯示為18 Ω)是，在正常工作期間，IOUT 的輸出電平必須保持在其電壓限值(AVDD )以?xún)?，并且這兩個(gè)保護二極管和電阻必須具有適當的額定功率。在18 Ω下，對于4 mA至20 mA輸出，引腳上的電壓限值會(huì )降低V = IMAX × R = 0.36 V。還可以通過(guò)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實(shí)現進(jìn)一步的保護。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應盡量采用最低擊穿電壓定標，同時(shí)在電流正常輸出的范圍內不導通。建議保護所有遠程連接節點(diǎn)。
在許多過(guò)程控制應用中，需要在控制器與受控單元之間提供一個(gè)隔離柵，以保護和隔離控制電路遭受可能發(fā)生的任何危險的共模電壓。ADI公司的i Coupler 系列產(chǎn)品可提供超過(guò)2.5 kV的電壓隔離。為了減少所需隔離器的數量，CLEAR等非關(guān)鍵信號可以連到GND;FAULT 和SDO可以不連接，從而只需要隔離三個(gè)信號。不過(guò)請注意，FAULT 或SDO引腳是訪(fǎng)問(wèn)AD5420的故障檢測功能所必需的。
常見(jiàn)變化
圖1所示電路的一個(gè)常見(jiàn)變化是使用AD5422(LFCSP版本)，它類(lèi)似于A(yíng)D5420，但具有電壓輸出通道和電流輸出通道。電路筆記CN-0065 提供有關(guān)IEC 61000兼容解決方案的額外信息，該解決方案適合使用AD5422和ADuM1401 數字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記 CN-0233 包含有關(guān)提供電源和數據隔離的信息，使用 ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅動(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)相應的CHART引腳，因此HART信號可以耦合到AD5755-1的電流輸出端。
如果需要環(huán)路供電的4 mA至20 mA HART解決方案，可以組合AD5421 和AD5700 HART調制解調器。
電路評估與測試
要構建此電路，需要使用AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ) 和AD5700-1評估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)，參見(jiàn)圖11。除外兩個(gè)評估板，該電路還需要三個(gè)外部電容(C1、 CH和CL)、一個(gè)負載電阻(RL)和一個(gè)UART接口。
設備要求
AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ)
AD5700評估板(EVAL-AD5700-1EBZ)
運行Windows XP的PC，帶USB端口
主機控制器和UART接口(標準微控制器，例如ADuC7060)
電源電壓：10.8 V至60 V
數字測試濾波器(HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會(huì )獲得)
500 Ω負載電阻
外部電容，C1 (4.7 nF)、CH (8.2 nF)、CL (4.7 nF);一個(gè)電阻，RH (27 kΩ)
示波器，Tektronix DS1012B或等效器件
評論