利用HART兼容性简化模拟电流环路设计

　　在工厂环境中，4mA至20mA模拟电流环路很常见。虽然各种应用中的基本信号调制均相同，但带宽要求却有很大的不同。工厂控制系统可能需要几百Hz环路带宽（来自位置和位移传感器），而典型的过程控制系统仅需几Hz更新速率，且一般都支持HART（可寻址远程传感器高速通道）。HART协议允许在传统的模拟4mA至20mA电流环路内实现双向1.2/2.2 kHz FSK（频移键控）调制数字通信。设计同时满足两种情况的4mA至20mA输入可能会有一定难度。图1中的电路图是一个支持HART的模拟输入的传统部署方法。

　　图1：集成无源滤波器且支持HART的输入。

　　图中，R1和RSENSE组成一个250Ω系统端接阻抗。HART FSK信号从该处到HART调制解调器为交流耦合。通过精密100Ω的RSENSE电阻，将4mA至20mA模拟信号转换为0.4V至2V信号。然后，模拟低通滤波器衰减模拟信号中的HART FSK成分，接着将其输入ADC。二阶低通模拟滤波器带宽为25Hz，滚降为-40dB/十倍频程。该电路符合HART规范，可将HART FSK信号衰减至4mA至20mA满量程以下超过-60dB电平，确保HART FSK通信输入扰动不超过0.1%。

　　另一方面，该模拟低通滤波器在系统输入端的满量程跳变之后，建立至0.1%以内需大约70ms。这种较长的建立时间和低带宽性能不适合要求高速工作且不需要HART通信的系统。确实可以旁路模拟滤波器，但需要额外的模拟电路，比如开关或多路复用器。图2显示了支持HART的模拟输入的替代方案。

　　图2：支持HART的灵活带宽输入。

　　与上一个电路类似，HART FSK信号交流耦合至250Ω输入阻抗，而4mA至20mA信号通过100Ω的精密RSENSE电阻转换为0.4V至2V信号。然而本电路中，一个轻度的低通滤波器将信号带宽限制为27kHz左右，以便为系统提供免疫性和电磁兼容性（EMC）。系统输入端满量程跳变后，滤波器在40μs时间内建立至0.1%。

　　信号会被传递到带有内置数字滤波器的Σ-Δ型ADC，比如 ADI公司的AD7173。数字滤波器可编程设置为较慢的工作速度模式和最优HART FSK信号抑制模式，或者在要求快速模拟输入时设置为快速工作模式。

　　AD7173支持多种工作模式。其中一种模式适合用来抑制HART FSK信号，将SINC3滤波器的陷波频率设为400Hz，或者可在较低HART FSK频率（1.2kHz）时提供深滤波器陷波并可在较高频率（2.2kHz）时提供大幅衰减的分数频率。图3中的曲线显示该数字滤波器的频率响应，及其与图1中模拟滤波器的比较。

　　图3：集成无源滤波器且支持HART的输入。

　　不幸的是，真实情况远没有那么简单。当一条完整的消息经过HART发送后，HART FSK调制信号频谱不仅在基频调制频率处包含电能，且在1.2kHz与2.2kHz载波之间、下方和上方包含频率分量。图4显示了HART FSK消息在ADC输入端的典型频谱，以及通过SINC3滤波器以400Hz陷波衰减时的频谱。本例中，主机发送HART命令3，从机响应该命令。

　　图4：HART消息频谱。

　　由图4可以看出，HART消息的一部分（尤其在较低频率处）依然可以出现在A/D输出数据中。也就是说，可以轻松更改数字滤波器设置，以便实现HART FSK采样输入速度和抑制之间的正确平衡。图5显示了系统性能，其测量值在4mA至20mA满量程范围内以百分比误差表示，同时比较模拟滤波器（图1）和 SINC3数字滤波器（图2）的系统速度。

　　图5：SINC3滤波器与模拟滤波器。

　　模拟滤波器在硬件中固定，并具有固定的建立时间。对于系统输入端的快速变化模拟信号而言，模拟滤波器输出误差由其较慢的建立时间决定。例如，如果系统输入每40ms改变满量程，则滤波器输出不会建立至正确值1%以内。对于较慢的输入信号而言，模拟滤波器输出误差由其抑制HART FSK信号低频分量的能力决定。对于典型HART命令3消息而言，该误差测量值约为4mA至20mA满量程的0.09%。

　　此外，数字SINC3滤波器的建立时间是一个用户设置的参数，滤波器输出误差是由于HART FSK调制对应的滤波器设置决定的。例如，400 Hz陷波的SINC3滤波器对应7.5ms建立时间，当传输HART命令3时，A/D上测得的扰动不足4mA至20mA满量程的0.4%。在具有四个模拟输入的系统中，SINC3滤波器在通道之间顺序切换。同样的400Hz陷波SIN3滤波器现在需要4×7.5= 30ms才能扫描全部四个通道。这便是四通道系统的曲线在30ms处均显示出约为0.4%误差的原因。

对于更精确的4mA至20mA输入而言，SINC3滤波器可设为30ms建立时间，该设置对应100Hz陷波且将HART信号抑制在不足满量程的 0.1%。如果速度更为重要，则6ms建立时间（约500Hz陷波）的SINC3滤波器依然