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评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • DEMO-AD5700D2Z ($90.00) Complete 4 mA to 20 mA Loop Powered Field Instrument with HART Interface
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优势和特点

  • 完整的4 mA至20 mA环路供电型现场仪器
  • HART兼容型接口
  • HART通信基金会(HFC)注册
  • 低功耗、小尺寸

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的智能工业环路供电现场仪器,提供 4 mA至20 mA模拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART®) 接口。HART是一种数字双向通信,可在4 mA至20 mA模拟 电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。它可实现众多功能,例如远程校准、故障查询和过程变量传 输;这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是必须的。

 

该电路已通过兼容性测试和验证,并通过了HART通信基 金会(HCF)的注册。这一成功注册可让电路设计人员极其 放心地使用电路中的一个或全部元件。

 

该电路使用了超低功耗精密模拟微控制器 ADuCM360、4mA 至20 mA 16位环路供电数模转换器(DAC) AD5421 ,以及业界 功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC调制解调器 AD5700



图1. 具有HART接口的4 mA至20 mA环路供电现场仪器(原理示意图:未显示所有连接和去耦)



图1A. DEMO-AD5700D2Z Printed Circuit Board (Pressure Sensor Not Included)


电路描述

模拟前端接口

ADuCM360模拟前端集成双通道、高性能、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。同时还集成了可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性。该器件允许直接与多个模拟传感器对接,如压力传感器电桥、电阻式温度传感器、热电偶以及工业用途的其它各类传感器。

 

图1表示连接主要桥式传感器与辅助电阻式温度传感器的示例电路。而ADuCM360具有灵活的前端,允许进行除此之外的其它各种配置,满足各种类型的精密模拟传感器应用要求。



主传感器输入

ADuCM360的片内ADC0测量现场仪器的主传感器,在图1中表示为桥式传感器。该传感器通过一个RC滤波器网络连接至模拟输入引脚AIN0和AIN1,以便增强系统抵抗电磁干扰的能力。共模滤波器带宽约为16 kHz,差模带宽为800 Hz。

 

ADuCM360的VREF+和VREF−基准电压输入检测电桥的激励电压并启动电路的比率工作模式,使测量独立于传感器电源电压的确切值。若应用需要,则片内接地开关可动态断开电桥的激励电压,降低功耗。

 

辅助传感器输入

本电路使用100Ω铂(Pt)电阻温度检测器(RTD)作为辅助传感器。RTD能够检测主传感器的温度,因此,如果必要,可对主传感器进行温度补偿。

 

ADuCM360可编程电流源通过AIN4引脚为RTD提供电流。 ADuCM360上的ADC1利用配置为差分输入的AIN3和AIN2引脚,测量RTD的电压。利用精密电阻(RREF),对流过RTD的确切电流值进行检测,并使用ADC1的AIN7引脚测得。ADC1使用片内带隙基准电压源。

 


数字数据处理、算法和通信

所有现场仪器的数字功能均由ADuCM36032位ARM Cortex™M3 RISC处理器提供,该处理器集成128 k字节非易失性fiash/EE存储器、8 k字节SRAM,以及一个支持有线(2× SPI、UART、I²C)通信外设的11通道直接存储器访问(DMA)控制器。

 

演示软件可进行初始化和配置、处理来自模拟输入的数据、控制模拟输出,并进行HART通信。

 


模拟输出

AD5421集成16位低功耗精密DAC,该DAC带4 mA至20 mA环路供电输出驱动器,可提供现场仪器模拟输出所需的全部功能。

 

AD5421通过SPI接口与ADuCM360控制器对接。

 

AD5421还集成了一系列与4 mA至20 mA环路相关的诊断功能。辅助ADC可通过连接至VLOOP引脚上的20 MΩ/1 MΩ电阻分压器测量仪器环路端的电压。该ADC还可通过内部传感器测量芯片温度。 ADuCM360控制器可配置并读取AD5421, 的全部诊断数据,但AD5421也可采用自主工作方式。

 

例如,若控制器和AD5421之间的通信发生故障, AD5421 将在一段时间后自动设置其模拟输出为3.2 mA报警电流。此报警电流将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

 

输出电流值的任何改变都受到软件的控制,以防对HART通信产生干扰。(参见“模拟变化率”部分)。

 

HART通信

AD5700 集成完整的HART FSK调制解调器。该调制解调器通过标准UART接口,伴随请求发送(RTS)和载波检测(CD)信号实现ADuCM360控制器的连接。

 

HART输出通过0.068 μF/0.22 μF容性分压器调整至所需幅度,并耦合至AD5421的CIN引脚,然后与DAC输出一同驱动和调制输出电流。

 

被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤波器输入到AD5700的ADC_IP引脚。RC滤波器作为第一级,用作HART解调器的带通滤波器,同时增强系统抵抗电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的 应用而言非常重要。

 

AD5700低功耗振荡器采用与XTAL1和XTAL2引脚直接相连 的3.8664 MHz外部晶振,产生HART调制解调器的时钟。

 

输出保护

瞬变电压抑制器(TVS)保护4 mA至20 mA HART接口免受过 压影响。其额定电压不应超过AD5421 在REGIN引脚上的60 V 绝对最大电压。请注意,TVS泄漏电流可能会影响电流输 出精度;因此,选用此器件时,需关注一定环路电压和温 度范围下的泄漏电流。

 

可使用外部耗尽型FET与 AD5421搭配工作,提高环路电压 最大值。

 

本电路具有保护功能,通过与环路输出相串联的一对二极 管保护电路免受极性反转的影响。

 

铁氧体磁珠与环路串联,该串联部分与4700 pF电容一同提 升系统的EMC性能。由于HART网络的规格限制,请勿在 环路端点处使用更高数值的电容。

 

4.7 V低泄露齐纳二极管保护AD5421的片内50 Ω环路检测电 阻免受 AD5421的COM引脚和LOOP−引脚间意料之外的外 部电压影响(例如,对ADuCM360编程或调试电路时)。

 

电源和电源管理

包括传感器驱动电流在内的完整现场仪器电路必须工作在 4 mA至20 mA环路提供的限量电源下。这对所有环路供电 现场仪器设计而言,都是一个普遍的难题。图1中的电路 提供了低功耗以及高性能解决方案的一个实例。应用中用 到的全部三个集成电路均针对低功耗而设计,并且电路依 靠各自的集成特性提供灵活的电源管理结构和性能最优的 环路供电解决方案。

 

AD5421采用4 mA至20 mA环路电压供电,为电路的其余部 分提供经过调节的低电压。依据电路的需求,AD5421 REGOUT 电压可以编程在1.8 V至12 V范围内。图1中的电路采 用3.3 V电源电压选项,作为所用输入传感器的一个实例。 然而,由于ADuCM360和 AD5700 具有更宽的电源电压范 围,因此可采用不同的电源电压,以满足应用要求。

 

REGOUT RC滤波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止传感器模拟 前端受到来自环路的任何干扰的影响。它还能防止电路产 生的任何干扰(尤其是控制器和数字电路产生的干扰)回流 耦合至环路,这对于可靠的HART通信而言非常重要。

 

AD5700 HART调制解调器通过一个额外的RC滤波器供电 (470 Ω/1 μF)。该滤波器在环路供电应用中的作用非常重 要,因为它可防止AD5700的电流噪声与4 mA至20 mA环路 输出进行耦合;若非如此,将影响HART通信。在静默测 试期间,特地通过HART带内噪声解决4 mA至20 mA环路噪 声性能问题。AD5700调制解调器使用外部晶振,通过将 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF电容接地,在可达到的功耗范围 中选择最低值。

 

ADuCM360具有极为灵活的内部电源管理功能,提供所有 内部模块的许多供电和时钟选项,并且当软件调用时,允 许针对特定的仪器应用,在要求的功能、性能和功耗之间 取得最佳平衡。请参考ADuCM360产品页面和 AN-1111应用指南

 

模拟前端AVDD通过另一个滤波器(10 μF/铁氧体磁珠/1.6 Ω/ 10 μF)供电,以便最大程度针对低压传感器信号减少电源噪 声,获得更佳性能。

 

ADuCM360 的GND_SW接地开关引脚控制主传感器的激励 和电源。仪器上电时,开关默认为关闭。这一默认设定允 许在开启传感器之前对系统进行全面配置,包括适当的电 源模式,从而最大程度降低4 mA至20 mA环路输出上可能 存在的任何上电尖峰。

 

类似地,辅助传感器采用ADuCM360的可编程电流源供 电,因此可通过软件完全控制其电源输入。

 

ADuCM360 软件

可在CN-0267 设计支持包中找到演示本电路功能和性能的 基本代码示例。

 

代码示例包括基本HART从机命令响应,用于演示硬件的 功能和特性。代码示例不包括HART通信的协议层。

常见变化

 ADuCM360具有一个高性能且非常灵活的模拟前端,提供12个模拟输入引脚以及供基准电压源和接地开关使用的额外引脚。它允许与多个各类模拟传感器直接接口,比如任意的阻性桥式传感器、电阻式温度传感器或热电偶。由于可用于几乎所有的传感器现场仪器,这款现场仪器解决方案并不局限于温度补偿型压力测量。

 

在模拟前端只需一个Σ-Δ型ADC的应用中,可使用 ADuCM361替换ADuCM360。除了备用ADC,ADuCM361提供ADuCM360的所有特性。

 

ADuCM361片内DAC和外部晶体管可用于控制4 mA至20 mA环路,详情请参见CN-0300。

 

AD5421可通过保护电路直接与环路相连。也可在AD5421和环路电源之间连接一个耗尽型N沟道MOSFET,如图2所示。由于在本配置中使用额外MOSFET,因此可将AD5421 上的电压降保持在12 V左右,降低AD5421封装的功耗,并增加4 mA至20 mA模拟输出精度。它还可将环路允许的最大电压提升至MOSFET的额定电平值。额外的MOSFET对HART通信无影响。



图2. MOSEFT连接至AD5421环路电源

 


本电路中,AD5700与3.8664 MHz晶振共同使用,形成具有最低功耗的配置。作为替代方案,AD5700-1可配合0.5 %精度的集成式内部振荡器使用。与晶体振荡器相比,内部振荡器最多可提升225 μA调制解调器电源电流,但因为无需使用外部晶体,因此该方案同时节省了成本,降低了所需的电路板面积。

 

对于非环路供电的应用,则AD5410, AD5420, AD5422AD5755 是针对4 mA至20 mA DAC不错的选择。

电路评估与测试

电路硬件

图1中的电路基于图3中的 DEMO-AD5700D2Z 印刷电路板构建。



图3. DEMO-AD5700D2Z印刷电路板

 


DEMO-AD5700D2Z电路板具有一些额外的特性,方便进行系统评估。连接器具有0.1英寸的引脚间距,允许使用可选的主级和次级传感器连接。HART兼容性测试可能需要用到HART RTS和DC信号的测试点。

 

DEMO-AD5700D2Z 边沿上的连接器使 ADuCM360 信号线和UART下载/调试信号可被访问,让软件开发、代码下载和在线调试与仿真更为便捷。连接器带有小型的连接头扩展器(随 DEMO-AD5700D2Z板一同提供),兼容ADI的所有基于Cortex-M3的开发工具,例如EVAL-ADuCM360 QSPZ评估套件(该评估套件不随 DEMO-AD5700D2Z板提供)。

 

图1的简化框图中未显示这些特性;然而,可在CN-0267设计支持包中的完整电路图上看到它们。设计支持包还包括完整的现场仪器C语言代码示例,可用来对全部硬件模块和电路特性进行完整的验证与评估,并对HARt接口的功能性提供一定程度的验证。有关HART接口规格和资源的详细信息,请联系HART通信基金会。



HART兼容性

 

DEMO-AD5700D2Z已通过HART FSK物理层规范(HCF_SPEC-054,修订版8.1)的兼容性验证,该验证采用HART物理层测试规范(HCF_TEST-2,修订版2.2)中的方法和设备。本电路板已提交HART通信基金会,并成功注册。

 

可在HART通信基金会(HFC)网站上找到该注册电路,产品目录为: DEMO-AD5700D2Z.

 

涉及的两项测试为:静默期间的输出噪声和模拟变化率。

 


静默期间的输出噪声测试

当HART设备没有进行传输(静默)时,噪声不应耦合至网络上。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。

 

对于在环路中的500 Ω负载上测得的电压噪声,其包含的宽带噪声和HART扩展频带中的相关噪声总和不能超过2.2 mV rms。此外,HART扩展频带外的噪声不应超过138 mV rms。

 

500 Ω负载上的噪声采用真均方根测量仪测得。此噪声作为带外噪声直接进行测量,作为带内噪声通过HCF_TOOL-31滤波器测量。也可使用示波器来检查噪声波形。

 

在最差情况下进行噪声测量,即4 mA输出电流。图4显示捕获的噪声波形,结果总结在表1中。



图4. 静默波形下的输出噪声

 

表1. 静默时的输出噪声

输出噪声
测得值(mV)
测得值(mV) 
 扩展频率范围以外  4.13  <138
 扩展频率范围以内  1.03  <2.2

 

模拟变化率测试

 

这一技术规范可确保当设备调节模拟输出电流时,模拟电流的最大变化率不会干扰HART通信。电流的阶跃变化会扰乱HART信号传输。

 

最差情况下的模拟输出电流变化一定不能产生高于15 mV峰值电压的干扰,此数值在HART扩展频带下,通过对500 Ω负载进行测量得到。

 

 AD5421 DAC和输出驱动器相对较快。因此,为了满足所需的系统规格,可将AD5421的硬件压摆率限制与ADuCM360软件中的数字滤波器相结合,控制输出电流的变化。.

 

通过与AD5421的 CIN引脚相连的电容,设置硬件压摆率限制。当模拟输出电流值需要改变较大的步进时,ADuCM360软件将发送到AD5421 DAC的输出电流变化分割成数个较小的步进。

 

使用一个示波器执行该测试,并通过HCF_TOOL-31滤波器耦合至500 Ω负载。

 

结果如图5所示。波形CH1显示4 mA和20 mA之间的周期性步进,直接在500 Ω负载上测得。波形CH2是HCF_TOOL-31滤波器输出端捕获的信号,将其放大10倍,并处于150 mV峰值限制之内。



图5. 模拟变化率波形

 


电路功耗

使用两种方法来评估电路的功耗性能

 

在第一种方法中,测量来自AD5421集成式电压调节器的输出电流。

 

考虑到最小模拟输出电流为4 mA,并且HART输出直流调制峰值为0.5 mA,则电路在正常工作模式下消耗的最大电流必须低于3.5 mA。AD5421自身工作需消耗0.3 mA的最大电流,因此留给AD5421 REGOUT输出的最大电流约为3.2 mA。

 

为了便于进行在线测量, DEMO-AD5700D2Z 在10 Ω电阻两侧的REGOUT输出滤波器中均有测试点(T5,T6),如图6所示。此设置允许对电阻上的压降进行测量,并对电流进行计算,而无需打断电源电流或干扰电路。



图6. 使用测试点测量AD5421 REGOUT电流

 


结果显示在表2中,测量条件如下:

  • REGOUT = 3.3 V
  • ADuCM360 M3内核时钟 = 2 MHz
  • 两个ADC每秒均转换50个样本
  • ADC0的两个缓冲器均开启,增益 = 8
  • ADC1的两个缓冲器均开启,增益 = 16
  • RTD激励电流 = 200 μA
  • SPI与AD5421通信的串行时钟 = 100 kHz
  • HART通信

电路及所有相关模拟和数字模块(包括输入传感器)的功耗在环路电流最小值为4 mA时,许可的预算之内。


表2. AD5421的电源电流 AD5421, REGOUT = 3.3V

输入传感器
T5至T6电压 最大值(mV)(mV)
REGOUT电流 最大值(mA)
 无  24.4 2.44
 24PCDFA6D(3.3 V时为5 kΩ、0.66 mA)  31.0 3.10

 

 

主传感器输入性能

 

ADuCM360片内集成大部分模拟前端,因此模拟输入的性能主要由ADuCM360的规格决定。

 

噪声电平是受模拟前端与板上其余电路部分交互干扰的主要因素。因此,测试主要针对噪声以及相关的系统分辨率性能。

 

该演示配置为从主模拟输入通过HART通信发送数据,数值以压力表示,单位为kPa。捕获100个样本,完成基本数据分析以便量化性能。两项测试包括:

  • 第一项测试将标准压力传感器(Honeywell 24PCDFA6D)直接焊接至电路板上。
  • 第二项测试采用由一组固定和可变电阻生成的主输入信号执行,如图7所示。


图7. 由一组电阻生成的主输入信号

性能总结见表3,图8和图9显示信号曲线图。


表3. 主传感器输入噪声和分辨率

参数
压力传感器
阻性网络
 满量程  207 kPa 246 kPa
 均方根噪声  1.3 Pa 0.68 Pa
 峰峰值噪声
 6.8 Pa 3.6 Pa
 有效分辨率(rms)  17.2 位
18.5 位
 无噪声分辨率(p-p)  14.9 位
16.1位




图8. 压力传感器输入信号曲线图



图9. 阻性网络作为主输入信号的曲线图

 


辅助传感器输入性能

与主传感器类似,辅助传感器输入的性能主要由ADuCM360的模拟前端决定(噪声性能除外)。

 

模拟输入配置为通过HART通信路径向主机发送温度数据(以°C表示)。对100个样本执行两项测试,以便进行性能的量化分析。

 

第一项测试采用板载100 Ω铂电阻传感器进行,第二项测试则采用标准(固定)100 Ω ± 1%电阻代替板载传感器进行。

 

性能总结见表4,图10和图11显示信号曲线图。


表4. 辅助传感器输入噪声性能

 参数
 压力传感器
 阻性网络
 均方根噪声  0.037°C  0.033°C
 峰峰值噪声  0.19°C
 0.16°C



图10. RTD(100 Ω铂电阻)传感器输入信号曲线图



图11. 固定100 Ω ± 1%电阻用作辅助输入的信号曲线图

样片申请及购买

样片

产品

描述

可提供样片的
产品型号

AD5421 16位、串行输入、环路供电、4MA至20MA DAC

AD5421BCPZ-REEL7

AD5421BREZ

AD5421CREZ

AD5421CREZ-RL7

AD5700 低功耗HART调制解调器

AD5700ACPZ-RL7

AD5700BCPZ-R5

AD5700-1 集成精密振荡器的低功耗HART调制解调器

AD5700-1BCPZ-R5

ADUCM360 集成ARM CORTEX M3和双通道Σ-Δ型ADC的低功耗精密模拟微控制器

ADUCM360BCPZ128

ADuCM362 集成双通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的低功耗精密模拟微控制器

ADUCM362BCPZ128

ADUCM362BCPZ128RL7

ADUCM362BCPZ256

ADUCM362BCPZ256RL7

ADuCM363 集成单通道Σ-Δ型ADC和ARM Cortex-M3的低功耗精密模拟微控制器

ADUCM363BCPZ128

ADUCM363BCPZ256

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