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

　　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

　　評估和設(shè)計(jì)支持

　　電路評估板

　　CN0267電路評估板（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

　　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模擬電流信號之上調(diào)制一個(gè)1 mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號。它可實(shí)現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障查詢和過程變量傳輸；這些功能在諸如溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必須的。

　　該電路已通過兼容性測試和驗(yàn)證，并通過了HART通信基金會(huì)（HCF）的注冊。這一成功注冊可讓電路設(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測量現(xiàn)場儀器的主傳感器，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)電壓輸入檢測電橋的激勵(lì)電壓并啟動(dòng)電路的比率工作模式，使測量獨(dú)立于傳感器電源電壓的確切值。若應(yīng)用需要，則片內(nèi)接地開關(guān)可動(dòng)態(tài)斷開電橋的激勵(lì)電壓，降低功耗。

　　輔助傳感器輸入

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

　　ADuCM360可編程電流源通過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，測量RTD的電壓。利用精密電阻（RREF），對流過RTD的確切電流值進(jìn)行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。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（DMA）控制器。

　　演示軟件可進(jìn)行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數(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)場儀器模擬輸出所需的全部功能。

　　AD5421通過SPI接口與ADuCM360控制器對接。

　　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可通過連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測量儀器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過集成式傳感器測量芯片溫度。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HART通信產(chǎn)生干擾。（參見“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)器通過標(biāo)準(zhǔn)UART接口，伴隨請求發(fā)送（RTS）和載波檢測（CD）信號實(shí)現(xiàn)與ADuCM360控制器的連接。

　　HART輸出通過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輸入通過一個(gè)簡單的有源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，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。

　　輸出保護(hù)

　　瞬變電壓抑制器（TVS）保護(hù)4 mA至20 mA HART接口免受過壓影響。其額定電壓不應(yīng)超過AD5421在REGIN引腳上的60 V絕對最大電壓。請注意，TVS泄漏電流可能會(huì)影響電流輸出精度；因此，選用此器件時(shí)，需關(guān)注一定環(huán)路電壓和溫度范圍下的泄漏電流。

　　可使用外部耗盡型FET與AD5421搭配工作，提高環(huán)路電壓最大值。

　　本電路具有保護(hù)功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對二極管保護(hù)電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。

　　鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡(luò)的規(guī)格限制，請勿在環(huán)路端點(diǎn)處使用更高數(shù)值的電容。

　　4.7 V低泄露齊納二極管保護(hù)AD5421的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電阻免受AD5421的COM引腳和LOOP-引腳間意料之外的外部電壓影響（例如，對ADuCM360編程或調(diào)試電路時(shí)）。