CN0270

AD5420をAD5700 HARTモデムおよびUARTインターフェースと組み合わせて、HARTで可能な4mA～20 mAの電流出力を構成する方法を図1に示します。このような回路は、様々な入力信号（RTD、TC、ohm）がスケーラブルな4 mA～20 mAのアナログ出力信号に変換される、ライン給電のフィールド・トランスミッタによく使用されます。AD5700からのHART_OUT信号は減衰され、AD5420の R_SET ピンにAC結合されます。外付けの R_SET 抵抗を使用していない場合は、AD5420とAD5700を接続する別の方法がアプリケーション・ノートAN-1065（英語）に示されており、AD5700 HARTモデムの出力をCAP2ピンを介してAD5420と接続します。この回路ノートで示す方法では、外付けの R_SET 抵抗を使用する必要がありますが、別のアプリケーション・ノートのソリューションに比べ優れた電源除去性能を示します。どちらのソリューションを使用しても、AD5700 HARTモデムの出力は（図2に示すように）、電流のDCレベルに影響を与えることなく、4mA～20 mAのアナログ電流に変調されます。ダイオード保護回路(D1 ～ D4) については「過渡電圧保護」のセクションで詳述しています。

外付け部品の値の決定

デバイスのデジタル・スルーレート制御機能とフィルタ用のC1とC2を組み合わせて使用することで、AD5420のI_OUT信号のスルーレートを制御することができます。コンデンサの絶対値を決定する際には、モデムからのFSK出力が歪みなしに送られるようにします。したがって、モデムの出力信号に与えられる帯域幅は1200Hzと2200Hzを通過させる必要があります。この要件を満たす回路を図3に示します。この場合、C2はオープンのままにしておきます。

HART_OUTピン出力のローパスとハイパスのフィルタ回路は、AD5420のいくつかの内部回路とともに、R_H、C_L、C_H、C1による作用によって選択されます。これらの部品の値を計算する際、ローパスとハイパスの周波数のカットオフ・ポイントの目標値は、それぞれ>10kHzと<500Hzです。図4はシミュレーションした周波数応答をプロットしたもので、表1は、他の部品の値は一定に保ちながら各部品の値を大きくした際の周波数応答に対する影響を示しています。

モデムの出力は1200 Hzと2200 Hzの周波数で構成されるFSK信号です。この信号は1 mA ピークtoピークの電流信号に変換する必要があります。これを実現するには、R_SETピンの信号の振幅を減衰させる必要があります。これはAD5420内部の電流ゲイン構成によります。モデムの出力振幅が500 mV ピークtoピークと仮定すると、その出力は500/150 = 3.33だけ減衰させる必要があり、R_HとC_Lによって実現します。

この回路ノートでは、以下の部品値を使って測定しました。

• C1 = 4.7 nF
• R_H = 27 kΩ
• C_L = 4.7 nF
• C_H = 8.2 nF

500 Ωの負荷抵抗両端で測定した1200 Hzおよび2200 Hzの変調波形を図5に示します。チャンネル1はAD5420の出力（4 mA出力に設定）に結合され変調されたHART信号を示し、チャンネル2はAD5700 TXD信号を示しています。

HART に準拠

図1の回路がHARTに準拠するには、HARTの物理層の仕様を満たす必要があります。HARTの仕様書には多数の物理層の仕様が含まれています。この場合に最も重要な2つの仕様は、Output Noise During SilenceとAnalog Rate of Changeです。

Output Noise During Silence

HARTデバイスが送信していないとき（サイレント）、HARTの拡張周波数帯域でノイズを結合させてはなりません。過度のノイズはデバイス自体による、またはネットワーク上の他のデバイスによるHART信号の受信に干渉することがあります。

500 Ω負荷の両端で測定した電圧ノイズは、拡張周波数帯域で2.2 mV rmsを超える広帯域ノイズおよび相関ノイズの結合したノイズを含んではなりません。このノイズはHCF_TOOL-31フィルタ（HART協会から入手可能）を500 Ω負荷の両端に接続し、フィルタの出力を真のRMSメータに接続して測定しました（図6参照）。出力波形のピーク to ピーク電圧を調べるために、オシロスコープも使用しました。

AD5420の出力電流は4 mA、12 mA、20 mAに設定しました。識別できるほどのノイズ差は測定されませんでした。HCF_TOOL-31バンドパス・フィルタ付きで測定したRMS値は115 μV rms、フィルタなしで測定したRMS値は252 μV rmsでした。これらの値はいずれも充分に2.2 mV rms（HARTフィルタ付き）および 138 mV rms（HARTフィルタなしの広帯域ノイズ）の要求される仕様範囲内でした。

図7と図8にそれぞれ4 mA と12 mAの出力電流のオシロスコープのプロットを示します。フィルタの通過帯域利得は10であることに注意してください。チャンネル1とチャンネル2は、それぞれフィルタの入力と出力を示しています。

Analog Rate of Change

この仕様は、デバイスが電流を調節する際に、アナログ電流の最大変化レートがHART通信に干渉しないことを保証します。電流のステップ変化はHARTの信号に大きく影響を与えます。図6にテスト回路を示します。このテストでは最大変化レートを保証するために、4mAから20mAへ遅延なしに切り替え、20mAから4mAへも遅延なしに切り替えて周期波形を出力するようにAD5420をプログラムしました。HARTの仕様を満たすには、フィルタの出力波形は150 mVを超えるピーク電圧を生じてはいけません。この要件を満たすと、アナログ信号の最大帯域幅がDCから25Hzの規定周波数帯域内であることが保証されます。

AD5420の出力が4mAから20mAまで変化する時間は、通常約10 μsです。これは明らかに速すぎて、HARTネットワークに多大な影響を生じることになるでしょう。この変化レートを下げるために、AD5420は2つの機能を採用しています。AP1ピンとCAP2ピンへのコンデンサの接続と、内部のデジタル・スルーレート制御機能です（詳細についてはAD5420のデータシートを参照してください）。

帯域幅を25 Hzより低くするには、CAP1とCAP2のコンデンサの値を非常に大きくする必要があります。最適なソリューションは、外付けコンデンサとAD5420のデジタル・スルーレート制御機能を組み合わせて使用することです。2つのコンデンサC1とC2はアナログ信号の変化レートを下げる効果がありますが、仕様を満たすには不十分です。スルーレート制御機能を有効にすることで、変化レートを柔軟に設定することができます。

図9はAD5420の出力とHARTフィルタの出力を示しています。フィルタ出力のピーク電圧は80 mVの仕様内です。スルーレートの設定はSR CLOCK = 3およびSR STEP = 2で、4 mAから20 mAへの遷移時間を約120 msに設定します。C1は4.7 nF、C2は未接続です。この変化レートが遅すぎる場合は、スルー時間を短くすることができます。ただし、これにより、フィルタ出力のピーク電圧が増加するという影響が生じます。CAP1からAVDDに接続したコンデンサを使って、これに対処することができます。

C1コンデンサの値は変更せず4.7 nFのままで、スルーレート制御の設定をSR CLOCK = 5およびSR STEP = 2に変更した結果を図10に示します。これにより、遷移時間は約240msになります。C1の値を大きくするか、スルーレートを遅く設定するか、または両方の組み合わせにより、フィルタ出力のピーク振幅をさらに縮めることができます。

過渡電圧保護

AD5420には通常の取り扱いによる損傷を防ぐESD保護ダイオードが内蔵されています。しかしながら、産業分野の制御環境では、I/O回路がはるかに高い過度電圧にさらされることがあります。高い過度電圧からAD5420を保護するために、図1に示すような外付けパワー・ダイオードとサージ電流制限抵抗が必要になる場合があります。抵抗値に対する制約（図1では18 Ωと表示）として、通常動作時、I_OUTの出力レベルがその電圧コンプライアンス・リミットのAV_DD − 2.5V以内にとどまることと、2個の保護ダイオードと抵抗が適切な電力定格を有する点があります。4 mA～20 mAの出力で18 Ωの場合、端子でのコンプライアンス・リミットはV = I_MAX × R = 0.36Vだけ減少します。また、過渡電圧サプレッサ（TVS）やトランゾーブを使って保護を強化することができます。これらは、単方向と双方向サプレッサの両方が、広範囲のスタンドオフ電圧定格およびブレークダウン電圧定格で提供されています。電流出力の機能上の範囲で導通せずに可能な限り最低ブレークダウン電圧でTVSのサイズを決めます。遠くに接続されている全てのノードも含め保護することを推奨します。

多くのプロセス制御アプリケーションでは、制御する装置と制御される装置の間に絶縁バリアを置いて、発生し得る危険な同相電圧から制御回路を保護し、絶縁する必要があります。アナログデバイセズの iCoupler ファミリー製品は、2.5kVを超える強化絶縁を提供します。iCoupler 製品の詳細についてはデジタル･アイソレータのページをご覧ください。CLEARなどの重要ではない信号をGNDに接続し、FAULTとSDOは未接続のままにすることで、絶縁が必要な信号を3個のみに減らすことができます。ただし、FAULTまたはSDOのどちらかはAD5420のフォルト検出機能にアクセスするために必要となるので注意してください。