AN-2544:具有额外电压输出能力的完整 4 mA 至 20 mA HART 解决方案

电路功能与优势

图 1 所示电路使用了功耗超低且尺寸超小的HART^®1兼容型 IC 调制解调器 AD5700及 16 位电流输出和电压输出 DAC AD5422，构成完整的 HART兼容型 4 mA 至 20 mA 解决方案。该电路中采用OP184，使得 I_OUT和 V_OUT引脚能够短接在一起，从而减少可编程逻辑控制(PLC)模块应用中所需的螺丝连接数量。AD5700-1 内置一个 0.5%精度的振荡器，可以进一步节省空间。

电路描述

应用笔记 AN-1065 描述了为符合 HART 通信标准而对 AD5420 I_OUT DAC 进行配置的方式。AN-1065概述了 AD5700 HART 调制解调器输出如何进行衰减并通过 CAP2 引脚交流耦合至 AD5420。AD5422也是如此。然而，如果应用中涉及特别恶劣的环境，则可采用一种电源抑制特性更好的替代电路配置。这种替代电路要求使用外部 R_SET 电阻，并涉及到将HART 信号耦合至 AD5420 或 AD5422 的 R_SET引脚。

该电路符合由 HART 通信基金会定义的 HART 物理层规范，例如静默期间输出噪声和模拟变化率规格。

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，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。

图 1 显示了 AD5422 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。如 果应用无需短接 I_OUT 和 V_OUT 引脚，则不一定需要 连接至+V_SENSE 引脚的缓冲器。从 AD5700 输出的 HART_OUT 信号经过衰减后，交流耦合至 AD5422 的 R_SET引脚。如果未使用外部 R_SET电阻，可考虑通 过 CAP2 引脚连接 AD5422 和 AD5700 的替代方法，详见应用笔记 AN-1065，如前文所述。此方法只适用于 AD5422 的 40 引脚 LFCSP 封装选项，因为引脚数量较少的 24 引脚 TSSOP 封装没有 CAP2 引脚。

虽然本电路笔记中描述的方法需要使用外部 R_SET电阻，但其电源抑制性能却高于替代应用笔记解决方案。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 至 D4）将在“瞬态电压保护”部分详细论述。

确定外部元件值

C1 和 C2 电容可配合器件的数字摆率控制功能使用，以控制 AD5422 的 I_OUT信号摆率。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（如图 1 所示）保持开路。

低通和高通滤波器电路通过 R_H、C_L、C_H和 C1 的相互作用并配合 AD5422 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 显示了增加各元件而剩余元件值保持恒定对频率响应的影响。

调制解调器的输出是一个 FSK 信号，包括 1200 Hz和 2200 Hz 移频。这个信号必须转换为 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 AD5422 采用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 p-p，则其输出必须经过 500/150 = 3.33 倍衰减。此衰减通过 R_H 和 C_L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
• R_H = 27 kΩ
• C_L = 4.7 nF
• C_H = 8.2 nF

图 5 显示在 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 AD5422 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。

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。

AD5422 输出电流设置为 4 mA、12 mA 和 20 mA。对于所有这三个输出电流值，有带通滤波器时的结果十分相似，不过电流输出值增加时，宽带宽噪声也略有增加。在输出电流为 4 mA 的情况下，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 143 μV rms 和 1.4 mV 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。在输出电流为 12 mA 的情况下，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 158 μV rms 和 2.1 mV rms，这两个值同样都在 HART 协议规范要求的范围内。

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。每个曲线图上的通道 1 和通道 2 分别显示滤波器的输入和输出。

模拟变化率

这一技术规范可确保当设备调节电流时，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。仍然使用如图 6 所示的相同测试电路。为进行这个测试，AD5422 编程为输出一个 4 mA 至 20 mA 切换的周期波形，并且该波形在两个值上都没有延迟，以获得最大变化率。为了符合 HART 规范，滤波器输出端波形的峰值电压不能大于 150 mV。符合这一要求可确保模拟信号的最大带宽处于规定的直流至 25 Hz 频带中。

AD5422 输出从 4 mA 变为 20 mA 的自然时间约为10 μs。这个速度显然太快，而且会对 HART 网络造成重大破坏。为了降低变化率，AD5422 运用两个特性：一是在 CAP1 和 CAP2 引脚处连接电容，二是内置线性数字摆率控制功能（详情请参考AD5422 数据手册）。对于较快的摆率，可在与AD5422 通信的控制器/FPGA 上实施一个非线性数字斜坡发生器。

要使带宽降低到 25 Hz 以下，需要在 CAP1 和 CAP2引脚处连接非常大的电容值。理想解决方案是兼用外部电容和 AD5422 的数字摆率控制功能。两个电容 C1 和 C2 的作用是降低模拟信号的变化率，但还不足以满足规范。使能摆率控制功能可以为变化率的设置提供灵活性。

图 9 显示 AD5422 的输出和 HART 滤波器的输出。滤波器输出端的峰值电压为 82 mV，处于规定范围以内。摆率设置为 SR 时钟 = 3 和 SR 阶跃 = 2，从4 mA 至 20 mA 的转换时间设为约 120 ms。C1 为4.7 nF，C2 未连接。如果这个变化率太低，可以缩短压摆时间。采用 C1 = 4.7 nF 且 C2 未连接的电路配置时，可以发现压摆时间设为 80 ms（SR 时钟= 1，SR 阶跃= 2）时，所得到的模拟变化率符合 HART规范。然而，如果将压摆时间进一步缩短至 60 ms（SR 时钟= 0，SR 阶跃= 2），则会导致结果超出150 mV 规格范围。从 CAP1 连接至 AVDD 的电容可用于抵消滤波器输出端因压摆时间过快而导致的峰值电压增加。然而，选择此值时必须小心，因为它会影响“确定外部元件值”部分讨论的低通滤波器截止频率。

图 10 显示了摆率控制设置改为 SR 时钟= 5、SR 阶跃= 2 且 C1 电容值保持 4.7 nF 不变的结果。这样就会产生约 240 ms 的转换时间。滤波器输出端的峰值幅度可通过增加 C1 值、或配置更慢的摆率或通过两者的组合来进一步降低。

瞬态电压保护

AD5422 内置 ESD 保护二极管，可防止器件在一般工作条件下受损。但是，工业控制环境会使 I/O 电路遭受高得多的瞬变。为了防止过高瞬态电压影响AD5422，可能需要外部功率二极管和浪涌限流电阻，如图 1 所示。对电阻值（图 1 中为 18 Ω）的制约条件是：正常工作时， I_OUT 输出电平必须保持在其顺从电压限值内，即 AV_DD - 2.5 V，并且两个保护二极管和电阻必须具有适当的额定功率。在 18 Ω的条件下，对于 4 mA 至 20 mA 输出，引脚处的顺从限值降低 V = I_MAX × R = 0.36 V。OP184 缓冲器的正输入端还连接了一个 10 kΩ 电阻，用以限制瞬态期间的电流来保护放大器。通过瞬态电压抑制器(TVS)或瞬态吸收器可实现进一步的保护。这些元件包括单向和双向抑制器，可提供各种各样的隔离和击穿电压额定值。TVS 应采用尽可能低的低击穿电压定标，同时在电流输出的功能范围内不导通。建议保护所有远程连接节点。

在许多过程控制应用中，需要在控制器与受控单元之间提供一个隔离栅，以保护和隔离控制电路遭受可能发生的任何危险的共模电压。

ADI 公司的 iCoupler 系列产品可提供超过 2.5 kV 的电压隔离。有关 iCoupler 产品的更多信息，请访问 www.analog.com/icouplers。要降低所需隔离器的数量，可将 CLEAR 等不重要的信号连接到 GND；FAULT 和 SDO 可保持不连接，从而将隔离需求降到仅三个信号。不过请注意，FAULT 或 SDO引脚是访问 AD5422 的故障检测功能所必需的。