CN0270 完整的4 mA至20 mA HART解決方案

CN0270 圖1所示電路的一個(gè)常見變化是使用AD5422（LFCSP版本），它類似于AD5420，但具有電壓輸出通道和電流輸出通道，因而是PLC/DCS類應(yīng)用的常見選擇。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(shù)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(shù)據(jù)隔離的信息，所使用的是ADuM3471 PWM 控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅(qū)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(nèi)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(yīng)的CHART引腳，因此HART信號(hào)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(diào)制解調(diào)器。 要構(gòu)建此電路，需要使用AD5420評(píng)估板(EVAL-AD5420EBZ) 和AD5700-1評(píng)估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)，參見圖11。除外兩個(gè)評(píng)估板，該電路還需要三個(gè)外部電容（C1、 CH和CL)、一個(gè)負(fù)載電阻(RL)和一個(gè)UART接口。 設(shè)備要求 AD5420評(píng)估板(EVAL-AD5420EBZ) AD5700評(píng)估板(EVAL-AD5700-1EBZ) 運(yùn)行Windows? XP的PC，帶USB端口 主機(jī)控制器和UART接口（標(biāo)準(zhǔn)微控制器，例如ADuC7060） 電源電壓：10.8 V至60 V 數(shù)字測(cè)試濾波器（HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會(huì)獲得） 500 Ω負(fù)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 ? 圖11. 測(cè)試設(shè)置框圖 ? 對(duì)于靜默測(cè)試期間的輸出噪聲，如上所述，AD5700調(diào)制解調(diào)器不發(fā)射數(shù)據(jù)（靜默）。AD5420設(shè)置為輸出所需的電流并通過HCF（HART通信基金會(huì)）帶通濾波器。接著使用Tektronix TDS1012B示波器測(cè)量輸出噪聲。 模擬變化率規(guī)范可確保當(dāng)AD5420調(diào)節(jié)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。 為進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，AD5420編程為輸出一個(gè)4 mA至20 mA切換的周期波形，并且該波形在兩個(gè)值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。所用的壓擺率設(shè)置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，C1設(shè)置為4.7 nF，C2保持開路。同時(shí)完成另一個(gè)測(cè)量，將SR CLOCK設(shè)置改變?yōu)?而不是3，并保持所有其他設(shè)置和元件值不變，從而進(jìn)一步降低壓擺率。 圖1顯示AD5420如何與AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器和UART接口配合使用，以使PLC和DCS系統(tǒng)常用的4 mA至20 mA電流輸出支持HART。從AD5700輸出的HART_OUT信號(hào)經(jīng)過衰減后，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(qǐng)參見應(yīng)用筆記AN-1065 ，其中AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器輸出通過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(yīng)用筆記的替代方法。無論使用哪一種解決方案，AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器輸出均可在不影響電流直流電平的前提下調(diào)制4 mA至20 mA模擬電流（如圖2所示）。二極管保護(hù)電路(D1 ? D4)將在瞬變電壓保護(hù)部分詳細(xì)論述。 圖2. AD5700/AD5700-1樣片調(diào)制器波形 ? 確定外部元件值 C1和C2可配合器件的數(shù)字壓擺率控制功能使用，以控制AD5420對(duì)應(yīng)的IOUT信號(hào)的壓擺率。確定電容的絕對(duì)值時(shí)，要確保調(diào)制解調(diào)器的FSK輸出無失真通過。因此，調(diào)制解調(diào)器輸出信號(hào)的帶寬必須通過1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實(shí)現(xiàn)此要求的電路。在此情況下C2保持開路。 圖3. AD5420/AD5410和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器連接 ? 低通和高通濾波器電路通過RH、CL、 CH和 C1的相互作用并配合AD5420的一些內(nèi)部電路來形成。在計(jì)算這些元件的值時(shí)，低通和高通頻率截止點(diǎn)目標(biāo)分別為>10 kHz和<500 Hz。圖4顯示了仿真頻率響應(yīng)的曲線圖，表1顯示了增加各元件值而剩余元件值保持不變對(duì)頻率響應(yīng)的影響。 圖4. 仿真頻率響應(yīng) ? 表1. 個(gè)別頻率響應(yīng)的影響元件值增加 元件 ?C1 ?CH ?CL ?RH ?fL(Hz) ?↓ ?↓ ?↓ ?↓ ?fH(kHz) ?↓ ?無變化 ?無變化 ?無變化 ?G(dB) ?↓ ?↑ ?↓ ?↓ 調(diào)制解調(diào)器的輸出是一個(gè)FSK信號(hào)，包括1200 Hz和2200 Hz移頻。這個(gè)信號(hào)需要轉(zhuǎn)換為1個(gè)1 mA峰峰值電流信號(hào)。為此，RSET引腳上的信號(hào)幅度必須衰減。這是因?yàn)锳D5420有內(nèi)部電流增益配置設(shè)計(jì)。假定調(diào)制解調(diào)器的輸出幅度為500 mV峰峰值，則其輸出必須經(jīng)過500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過RH 和 CL來實(shí)現(xiàn)。 本電路筆記中的測(cè)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(fù)載電阻上分別測(cè)得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5420輸出中的調(diào)制HART信號(hào)（設(shè)置為輸出4 mA），而通道2顯示AD5700 TXD信號(hào)。 圖5. 在500 Ω負(fù)載上測(cè)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(guī)范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)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(dāng)HART設(shè)備沒有進(jìn)行傳輸（靜默）時(shí)，不應(yīng)在HART擴(kuò)展頻帶中有噪聲耦合到網(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500 ?負(fù)載上測(cè)得的電壓噪聲，其包含的擴(kuò)展頻帶中的寬帶噪聲和相關(guān)噪聲總和不超過2.2 mV rms。此噪聲通過在500 Ω負(fù)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(cè)量儀（參見圖6）來測(cè)量。也可使用示波器來檢查輸出波形峰峰值電壓。 AD5420輸出電流設(shè)置為4 mA、12 mA和20 mA。測(cè)得噪聲沒有明顯差異。使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時(shí)，測(cè)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(guī)范內(nèi)。 圖6. HART規(guī)范測(cè)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圖。請(qǐng)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。 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 此規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)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(hào)。仍然使用如圖6所示的相同測(cè)試電路。為進(jìn)行這個(gè)測(cè)試，AD5420編程輸出一個(gè)4 mA至20 mA切換的周期波形，并且該波形在兩個(gè)值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。為了符合HART規(guī)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(hào)的最大帶寬處于規(guī)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(duì)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(shù)字壓擺率控制功能（詳情請(qǐng)參考AD5420數(shù)據(jù)手冊(cè) ）。 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(jié)合外部電容和AD5420的數(shù)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(hào)的變化率；不過還不足以滿足規(guī)范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設(shè)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(guī)定范圍以內(nèi)。壓擺率設(shè)置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，從4 mA至20 mA的轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)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(shè)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(jié)果。這樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間就會(huì)在240 ms左右。濾波器輸出端的峰值幅度可通過增加C1值、或配置更慢的壓擺率或通過兩者的組合來進(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(hù) AD5420內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，在一般工作條件下可防止器件受損。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(duì)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 ）以內(nèi)，并且這兩個(gè)保護(hù)二極管和電阻必須具有適當(dāng)?shù)念~定功率。在18 Ω下，對(duì)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。還可以通過瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的保護(hù)。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(yīng)盡量采用最低擊穿電壓定標(biāo)，同時(shí)在電流正常輸出的范圍內(nèi)不導(dǎo)通。建議保護(hù)所有遠(yuǎn)程連接節(jié)點(diǎn)。 在許多過程控制應(yīng)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(hù)和隔離控制電路遭受可能發(fā)生的任何危險(xiǎn)的共模電壓。ADI公司的iCoupler 系列產(chǎn)品可提供超過2.5 kV的電壓隔離。有關(guān)iCoupler產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.analog.com/icouplers。為了減少所需隔離器的數(shù)量，CLEAR等非關(guān)鍵信號(hào)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(hào)。不過請(qǐng)注意，F(xiàn)AULT 或SDO引腳是訪問AD5420的故障檢測(cè)功能所必需的。 CN0270 完整的4 mA至20 mA HART解決方案 圖1所示電路使用 AD5700 (業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC調(diào)制解調(diào)器) 以及AD5420 (一款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，這在環(huán)路供電變送器的應(yīng)用中非常常見。 為了進(jìn)一步節(jié)省空間， AD5700-1 提供了精度為0.5%的內(nèi)部振蕩器。 圖1. AD5420 HART使能電路簡化原理圖 ? 該電路符合由HART通信基金會(huì)定義的HART物理層規(guī)范，例如模擬變化率和靜默期間噪聲規(guī)格。 多年來，過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(wěn)定可靠，對(duì)長距離通信中的環(huán)境干擾具有高抗擾度。不過，其限制是每次只能進(jìn)行一個(gè)過程變量的單向通信。 可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了高性能的雙向數(shù)字通信，同時(shí)支持傳統(tǒng)儀器儀表設(shè)備所使用的4 mA至20 mA模擬信號(hào)。它衍生出各種特性，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和額外過程變量的傳輸。簡言之，HART是一種數(shù)字雙向通信系統(tǒng)，其在4 mA至20 mA模擬電流信號(hào)之上調(diào)制一個(gè)1 mA p-p頻移鍵控(FSK)信號(hào)。 CN0270 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(diào)制解調(diào)器，以及adi