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

電源和電源管理

　　包括傳感器驅動(dòng)電流在內的完整現場(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。這對所有環(huán)路供電現場(chǎng)儀器設計而言，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。應用中用到的全部三個(gè)集成電路均針對低功耗而設計，并且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結構和性能最優(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(guò)調節的低電壓。

　　AD5421的REGOUT電壓在1.8 V至12 V范圍內引腳可編程，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，作為所用輸入傳感器的一個(gè)實(shí)例。然而，由于A(yíng)DuCM360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(mǎn)足應用要求。

　　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(lái)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（尤其是控制器和數字電路產(chǎn)生的干擾）回流耦合至環(huán)路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。

　　AD5700 HART調制解調器通過(guò)一個(gè)額外的RC濾波器供電（470 Ω/1 μF）。該濾波器在環(huán)路供電應用中的作用非常重要，因為它可防止AD5700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。在靜默測試期間，特地通過(guò)HART帶內噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪聲性能問(wèn)題。AD5700調制解調器使用外部晶振，通過(guò)將XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達到的功耗范圍中選擇最低值。

　　ADuCM360具有極為靈活的內部電源管理功能，提供所有內部模塊的許多供電和時(shí)鐘選項，并且當軟件調用時(shí)，允許針對特定的儀器應用，在要求的功能、性能和功耗之間取得最佳平衡。請參考ADuCM360產(chǎn)品頁(yè)面和AN-1111應用指南。

　　模擬前端AVDD通過(guò)另一個(gè)濾波器（10 μF/鐵氧體磁珠/1.6 Ω/10 μF）供電，以便最大程度針對低壓傳感器信號減少電源噪聲，獲得更佳性能。

　　ADuCM360的GND_SW接地開(kāi)關(guān)引腳控制主傳感器的激勵和電源。儀器上電時(shí)，開(kāi)關(guān)默認為關(guān)閉。這一默認設定允許在開(kāi)啟傳感器之前對系統進(jìn)行全面配置，包括適當的電源模式，從而最大程度降低4 mA至20 mA環(huán)路輸出上可能存在的任何上電尖峰。

　　類(lèi)似地，輔助傳感器采用ADuCM360的可編程電流源供電，因此可通過(guò)軟件完全控制其電源輸入。

　　ADuCM360軟件

　　可在CN-0267設計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從機命令響應，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(jiàn)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電壓源和接地開(kāi)關(guān)使用的額外引腳。它允許與多個(gè)各類(lèi)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場(chǎng)儀器，這款現場(chǎng)儀器解決方案并不局限于溫度補償型壓力測量。

　　在模擬前端只需一個(gè)Σ-Δ型ADC的應用中，可使用ADuCM361替換ADuCM360.除了備用ADC,ADuCM361提供ADuCM360的所有特性。

　　ADuCM361片內DAC和外部晶體管可用于控制4 mA至20 mA環(huán)路，詳情請參見(jiàn)CN-0300.

　　AD5421可通過(guò)保護電路直接與環(huán)路相連。也可在A(yíng)D5421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HART通信無(wú)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 %精度的集成式內部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內部振蕩器最多可提升225 μA調制解調器電源電流，但因為無(wú)需使用外部晶體，因此該方案同時(shí)節省了成本，降低了所需的電路板面積。

　　對于非環(huán)路供電的應用，則AD5410、AD5420、AD5422或AD5755是針對4 mA至20 mA DAC不錯的選擇。

　　電路評估與測試

　　電路硬件

　　圖1中的電路基于圖3中的DEMO-AD5700D2Z印刷電路板構建。

　　DEMO-AD5700D2Z電路板具有一些額外的特性，方便進(jìn)行系統評估。連接器具有0.1英寸的引腳間距，允許使用可選的主級和次級傳感器連接。HART兼容性測試可能需要用到HART RTS和DC信號的測試點(diǎn)。

　　DEMO-AD5700D2Z邊沿上的連接器使ADuCM360信號線(xiàn)和UART下載/調試信號可被訪(fǎng)問(wèn)，讓軟件開(kāi)發(fā)、代碼下載和在線(xiàn)調試與仿真更為便捷。連接器帶有小型的連接頭擴展器（隨DEMO-AD5700D2Z板一同提供），兼容ADI的所有基于Cortex-M3的開(kāi)發(fā)工具，例如EVAL-ADuCM360QSPZ評估套件（該評估套件不隨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設計支持包中的完整電路圖上看到它們。設計支持包還包括完整的現場(chǎng)儀器C語(yǔ)言代碼示例，可用來(lái)對全部硬件模塊和電路特性進(jìn)行完整的驗證與評估，并對HARt接口的功能性提供一定程度的驗證。有關(guān)HART接口規格和資源的詳細信息，請聯(lián)系HART通信基金會(huì )。

　　HART兼容性 DEMO-AD5700D2Z已通過(guò)HART FSK物理層規范（HCF_SPEC-054,修訂版8.1）的兼容性驗證，該驗證采用HART物理層測試規范（HCF_TEST-2,修訂版2.2）中的方法和設備。本電路板已提交HART通信基金會(huì )，并成功注冊。

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

　　涉及的兩項測試為：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。

表1. 靜默時(shí)的輸出噪聲

　　模擬變化率測試 這一技術(shù)規范可確保當設備調節模擬輸出電流時(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，此數值在HART擴展頻帶下，通過(guò)對500 Ω負載進(jìn)行測量得到。

　　AD5421 DAC和輸出驅動(dòng)器相對較快。因此，為了滿(mǎn)足所需的系統規格，可將AD5421的硬件壓擺率限值與ADuCM360軟件中的數字濾波器相結合，控制輸出電流的變化。

　　通過(guò)與AD5421的CIN引腳相連的電容，設置硬件壓擺率限值。當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個(gè)較小的步進(jìn)。

　　使用一個(gè)示波器執行該測試，并通過(guò)HCF_TOOL-31濾波器耦合至500 Ω負載。

　　結果如圖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負載上測得。波形CH2是HCF_TOOL-31濾波器輸出端捕獲的信號，將其放大10倍，并處于150 mV峰值限制之內。

　　電路功耗 使用兩種方法來(lái)評估電路的功耗性能。

　　在第一種方法中，測量來(lái)自AD5421集成式電壓調節器的輸出電流。

　　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(xiàn)測量，DEMO-AD5700D2Z在10 Ω電阻兩側的REGOUT輸出濾波器中均有測試點(diǎn)（T5,T6），如圖6所示。此設置允許對電阻上的壓降進(jìn)行測量，并對電流進(jìn)行計算，而無(wú)需打斷電源電流或干擾電路。

　　結果顯示在表2中，測量條件如下：

　　.REGOUT = 3.3 V

　　.ADuCM360 M3內核時(shí)鐘 = 2 MHz

　　.兩個(gè)ADC每秒均轉換50個(gè)樣本

　　.ADC0的兩個(gè)緩沖器均開(kāi)啟，增益 = 8

　　.ADC1的兩個(gè)緩沖器均開(kāi)啟，增益 = 16

　　.RTD激勵電流 = 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)，許可的預算之內。

表2. AD5421的電源電流（REGOUT = 3.3V）