具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器

連接/參考器件

ADuCM360：低功耗、精密模擬微控制器

AD5421：16位、環(huán)路供電、4 mA至20 mA DAC

AD5700：低功耗HART調(diào)制解調(diào)器

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

電路評(píng)估板

CN0267電路評(píng)估板(DEMO-AD5700D2Z)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、代碼示例

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款完整的智能工業(yè)環(huán)路供電現(xiàn)場(chǎng)儀器，提供4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(HART)接口。HART是一種數(shù)字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號(hào)之上調(diào)制一個(gè)1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號(hào)。它可實(shí)現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和過(guò)程變量傳輸;這些功能在諸如溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必須的。

該電路已通過(guò)兼容性測(cè)試和驗(yàn)證，并通過(guò)了HART通信基金會(huì)(HCF)的注冊(cè)。這一成功注冊(cè)可讓電路設(shè)計(jì)人員極其放心地使用電路中的一個(gè)或全部元件。

該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、4 mA至20 mA 16位環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) AD5421，以及業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700。

電路描述

模擬前端接口

ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。同時(shí)還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、可編程電流源、靈活的多路復(fù)用器以及其它許多特性。該器件允許直接與多個(gè)模擬傳感器對(duì)接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業(yè)用途的其它各類傳感器。

圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的示例電路。而ADuCM360具有靈活的前端，允許進(jìn)行除此之外的其它各種配置，滿足各種類型的精密模擬傳感器應(yīng)用要求。

主傳感器輸入

ADuCM360的片內(nèi)ADC0測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)儀器的主傳感器，在圖1中表示為橋式傳感器。該傳感器通過(guò)一個(gè)RC濾波器網(wǎng)絡(luò)連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF-基準(zhǔn)電壓輸入檢測(cè)電橋的激勵(lì)電壓并啟動(dòng)電路的比率工作模式，使測(cè)量獨(dú)立于傳感器電源電壓的確切值。若應(yīng)用需要，則片內(nèi)接地開(kāi)關(guān)可動(dòng)態(tài)斷開(kāi)電橋的激勵(lì)電壓，降低功耗。

輔助傳感器輸入

本電路使用100 Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測(cè)器(RTD)作為輔助傳感器。RTD能夠檢測(cè)主傳感器的溫度，因此，如果必要，可對(duì)主傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

ADuCM360可編程電流源通過(guò)AIN4引腳為RTD提供電源。ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2引腳，測(cè)量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對(duì)流過(guò)RTD的確切電流值進(jìn)行檢測(cè)，并使用ADC1的AIN7引腳測(cè)得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理、算法和通信

所有現(xiàn)場(chǎng)儀器的數(shù)字功能均由ADuCM360 32位ARM Cortex M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節(jié)非易失性flash/EE存儲(chǔ)器、8 k字節(jié)SRAM，以及一個(gè)支持有線(2× SPI、UART、I2C)通信外設(shè)的11通道直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)控制器。

演示軟件可進(jìn)行初始化和配置、處理來(lái)自模擬輸入的數(shù)據(jù)、控制模擬輸出，并進(jìn)行HART通信。

模擬輸出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅(qū)動(dòng)器，可提供現(xiàn)場(chǎng)儀器模擬輸出所需的全部功能。

AD5421通過(guò)SPI接口與ADuCM360控制器對(duì)接。

AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關(guān)的診斷功能。輔助ADC可通過(guò)連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測(cè)量?jī)x器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過(guò)集成式傳感器測(cè)量芯片溫度。ADuCM360控制器可配置并讀取AD5421的全部診斷數(shù)據(jù)，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之間的通信發(fā)生故障，AD5421將在一段時(shí)間后自動(dòng)設(shè)置其模擬輸出為3.2 mA報(bào)警電流。此報(bào)警電流將現(xiàn)場(chǎng)儀器工作故障這一情況匯報(bào)給主機(jī)。

輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對(duì)HART通信產(chǎn)生干擾。(參見(jiàn)“模擬變化率”部分)。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)UART接口，伴隨請(qǐng)求發(fā)送(RTS)和載波檢測(cè)(CD)信號(hào)實(shí)現(xiàn)與ADuCM360控制器的連接。

HART輸出通過(guò)0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū)動(dòng)和調(diào)制輸出電流。

HART輸入通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的有源RC濾波器，從LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一級(jí)，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對(duì)于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而言非常重要。

AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘。

靜默期間的輸出噪聲測(cè)試

當(dāng)HART設(shè)備沒(méi)有進(jìn)行傳輸(靜默)時(shí)，噪聲不應(yīng)耦合至網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過(guò)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)于在環(huán)路中的500 Ω負(fù)載上測(cè)得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴(kuò)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(kuò)展頻帶外的噪聲不應(yīng)超過(guò)138 mV rms。

500 Ω負(fù)載上的噪聲采用真均方根測(cè)量?jī)x測(cè)得。此噪聲作為帶外噪聲直接進(jìn)行測(cè)量，作為帶內(nèi)噪聲通過(guò)HCF_TOOL-31濾波器測(cè)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(cè)量，即4 mA輸出電流。圖4顯示捕獲的噪聲波形，結(jié)果總結(jié)在表1中。

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