ADI实验室电路:完整的HART兼容型4mA至20mA解决方案

电路功能与优势

图1所示电路使用业界功耗最低且尺寸的HART®1兼容型IC调制解调器AD5700和16位电流输出和电压输出DACAD5422，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IOUT和VOUT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。为了进一步节省空间，AD5700-1 提供了精度为0.5%的内部振荡器。

图1. AD5422 HART使能电路原理示意图

应用笔记 AN-1065 描述了为符合HART通信标准而对AD5420 IOUT DAC进行配置的方式。AN-1065概述了AD5700HART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加的替代电路配置。这种替代电路要求使用外部RSET电阻，并涉及到将HART信号耦合至AD5420或AD5422的RSET引脚。CN-0270描述了AD5420的这种解决方案，通常是在线路供电的发射器应用中。目前的电路笔记与AD5422相关；与AD5420不同，该器件提供电压和电流输出引脚，因此特别适合PLC/分布式控制系统（DCS）应用。AD5422提供40引脚LFCS和24引脚TSSOP封装，这点与电路特性的相关性将在“电路描述”部分加以介绍。

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。

电路描述

图1显示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IOUT和VOUT引脚，则不一定需要连接至+VSENSE引脚的缓冲器。来自AD5700的HART_OUT信号经衰减后，交流耦合至AD5422的RSET引脚。如果未使用外部RSET电阻，通过CAP2引脚连接AD5422和AD5700的替代方法请参见应用笔记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。

虽然本电流电路笔记中描述的方法需要使用外部RSET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。

图2. AD5700/AD5700-1样片调制器波形

确定外部元件值

C1和C2电容可配合器件的数字压摆率控制功能使用，以控制AD5422的IOUT信号压摆率。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。

图3. AD5422和AD5700 HART调制解调器连接

低通和高通滤波器电路通过RH、CL、CH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。

图4. 仿真频率响应

表1. 个别元件值增加对频率响应的影响

调制解调器的输出是一个FSK信号，包括1200 Hz和2200Hz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 mVp-p，则其输出必须经过500/150 = 3.33倍衰减。此衰减通过RH和CL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

RH = 27 kΩ

CL = 4.7 nF

CH = 8.2 nF

图5表明在500Ω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），通道2则显示AD5700 TXD信号。

图5. 在500Ω负载上测得的FSK波形