完整的4mA至20mA HART解决方案

电路功能与优势

图1所示的电路使用 AD5700——业界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC调制解调器，以及AD5420 16位电流输出DAC，形成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案。

为了进一步节省空间， AD5700-1 提供了精度为0.5%的内部振荡器。

图1. AD5420 HART使能电路简化原理图

该电路符合由HART通信基金会定义的HART物理层规范，例如模拟变化率和静默期间噪声规格。

多年来，过程控制仪器仪表中一直使用4 mA至20 mA通信。此通信方式稳定可靠，对长距离通信中的环境干扰具有高抗扰度。不过，其限制是每次只能进行一个过程变量的单向通信。

可寻址远程传感器高速通道(HART)标准的开发实现了高性能的双向数字通信，同时支持传统仪器仪表设备所使用的4 mA至20 mA模拟信号。它衍生出各种特性，例如远程校准、故障查询和额外过程变量的传输。简言之，HART是一种数字双向通信系统，其在4 mA至20 mA模拟电流信号之上调制一个1 mA p-p频移键控(FSK)信号。

电路描述

图1显示AD5420如何与AD5700 HART调制解调器和UART接口配合使用，以使PLC和DCS系统常用的4 mA至20 mA电流输出支持HART。从AD5700输出的HART_OUT信号经过衰减后，交流耦合至AD5420的RSET引脚。如果未使用外部 RSET 电阻，连接AD5420和AD5700的替代方法请参见应用笔记AN-1065 ，其中AD5700 HART调制解调器输出通过CAP2引脚耦合到AD5420。本电路笔记中所述的方法是需要使用外部RSET电阻，其电源抑制性能要高于应用笔记的替代方法。无论使用哪一种解决方案，AD5700 HART调制解调器输出均可在不影响电流直流电平的前提下调制4 mA至20 mA模拟电流(如图2所示)。二极管保护电路(D1 D4)将在瞬变电压保护部分详细论述。

图2. AD5700/AD5700-1样片调制器波形

确定外部元件值

C1和C2可配合器件的数字压摆率控制功能使用，以控制AD5420对应的IOUT信号的压摆率。确定电容的绝对值时，要确保调制解调器的FSK输出无失真通过。因此，调制解调器输出信号的带宽必须通过1200 Hz和2200 Hz频率。图3显示了实现此要求的电路。在此情况下C2保持开路。

图3. AD5420/AD5410和AD5700 HART调制解调器连接

低通和高通滤波器电路通过RH、CL、 CH和 C1的相互作用并配合AD5420的一些内部电路来形成。在计算这些元件的值时，低通和高通频率截止点目标分别为>10 kHz和500 Hz。图4显示了仿真频率响应的曲线图，表1显示了增加各元件值而剩余元件值保持不变对频率响应的影响。

图4. 仿真频率响应

调制解调器的输出是一个FSK信号，由1200 Hz和2200 Hz移动频率组成。这个信号需要转换为1个1 mA峰峰值电流信号。为此，RSET引脚上的信号幅度必须衰减。这是因为AD5420有内部电流增益配置设计。假定调制解调器的输出幅度为500 mV峰峰值，则其输出必须经过500/150 = 3.33倍衰减。此衰减通过RH 和 CL来实现。

本电路笔记中的测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

图5是在500 Ω负载电阻上分别测得了1200 Hz和2200 Hz移频。通道1显示耦合至AD5420输出中的调制HART信号(设置为输出4 mA)，而通道2显示AD5700 TXD信号。

图5. 在500 Ω负载上测得的FSK波形

HART兼容性

图1中的电路要与HART兼容，必须符合HART物理层规范。HART规范文档中包含了众多物理层规范。其中最重要的两个是静默期间的输出噪声和模拟变化率。

静默期间的输出噪声

当HART设备没有进行传输(静默)时，不应在HART扩展频带中有噪声耦合到网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上的其它设备对HART信号的接收。

对于在500 Ω负载上测得的电压噪声，其包含的宽带噪声和扩展频带中的相关噪声总和不能超过2.2 mV(有效值)。此噪声通过在500 Ω负载上连接HCF_TOOL-31滤波器(可从HART通信基金会获得)并将滤波器输出连接到真均方根测量仪(参见图6)来测量。也可使用示波器来检查输出波形峰峰值电压。

AD5420输出电流设置为4 mA、12 mA和20 mA。测得噪声没有明显差异。使用和不使用HCF_TOOL-31带通滤波器时，测得的均方根值分别为115 μV rms和252 μV rms。这两个值均在要求的2.2 mV rms(使用HART滤波器)和138 mV rms(不使用HART滤波器的宽带噪声)规范内。

图6. HART规范测试电路

图7和图8分别显示4 mA和12 mA输出电流的示波器曲线图。请注意，滤波器的通带增益为10。通道1和通道2分别显示滤波器的输入和输出。

图7. HART滤波器输入(通道1)和输出(通道2)端的噪声，输出电流为4 MA

图8. HART滤波器输入(通道1)和输出(通道2)端的噪声，输出电流为12 MA