電路功能與優勢

　　圖1所示的電路使用 AD5700——業界功耗、尺寸的HART1兼容型IC調制解調器，以及AD5420 16位電流輸出DAC，形成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。

　　為了進一步節省空間， AD5700-1 提供了為0.5%的內部。

　　圖1. AD5420 HART使能電路簡化原理圖

　　該電路符合由HART通信基金會定義的HART物理層規范，例如模擬變化率和靜默期間噪聲規格。

　　多年來，過程控制中一直使用4 mA至20 mA通信。此通信方式穩定可靠，對長距離通信中的環境干擾具有高抗擾度。不過，其限制是每次只能進行一個過程變量的單向通信。

　　可尋址遠程高速通道(HART)標準的開發實現了高性能的雙向數字通信，同時支持傳統儀器儀表設備所使用的4 mA至20 mA模擬信號。它衍生出各種特性，例如遠程校準、故障查詢和額外過程變量的傳輸。簡言之，HART是一種數字雙向通信系統，其在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調制一個1 mA p-p頻移鍵控(FSK)信號。

　　電路描述

　　圖1顯示AD5420如何與AD5700 HART調制解調器和UART接口配合使用，以使PLC和DCS系統常用的4 mA至20 mA電流輸出支持HART。從AD5700輸出的HART_OUT信號經過衰減后，交流耦合至AD5420的RSET引腳。如果未使用外部 RSET 電阻，連接AD5420和AD5700的替代方法請參見應用筆記AN-1065 ，其中AD5700 HART調制解調器輸出通過CAP2引腳耦合到AD5420。本電路筆記中所述的方法是需要使用外部RSET電阻，其電源抑制性能要高于應用筆記的替代方法。無論使用哪一種解決方案，AD5700 HART調制解調器輸出均可在不影響電流直流電平的前提下調制4 mA至20 mA模擬電流（如圖2所示）。保護電路(D1  D4)將在瞬變電壓保護部分詳細論述。

　　圖2. AD5700/AD5700-1樣片調制器波形

　　確定外部元件值

　　C1和C2可配合器件的數字壓擺率控制功能使用，以控制AD5420對應的IOUT信號的壓擺率。確定電容的時，要確保調制解調器的FSK輸出無失真通過。因此，調制解調器輸出信號的帶寬必須通過1200 Hz和2200 Hz頻率。圖3顯示了實現此要求的電路。在此情況下C2保持開路。

　　圖3. AD5420/AD5410和AD5700 HART調制解調器連接

　　低通和高通濾波器電路通過RH、CL、 CH和 C1的相互作用并配合AD5420的一些內部電路來形成。在計算這些元件的值時，低通和高通頻率截止點目標分別為>10 kHz和<500 Hz。圖4顯示了仿真頻率響應的曲線圖，表1顯示了增加各元件值而剩余元件值保持不變對頻率響應的影響。

　　圖4. 仿真頻率響應

　　調制解調器的輸出是一個FSK信號，由1200 Hz和2200 Hz移動頻率組成。這個信號需要轉換為1個1 mA峰峰值電流信號。為此，RSET引腳上的信號幅度必須衰減。這是因為AD5420有內部電流增益配置設計。假定調制解調器的輸出幅度為500 mV峰峰值，則其輸出必須經過500/150 = 3.33倍衰減。此衰減通過RH 和 CL來實現。

　　本電路筆記中的測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

　　圖5是在500 Ω負載電阻上分別測得了1200 Hz和2200 Hz移頻。通道1顯示耦合至AD5420輸出中的調制HART信號（設置為輸出4 mA），而通道2顯示AD5700 TXD信號。

　　圖5. 在500 Ω負載上測得的FSK波形

　　HART兼容性

　　圖1中的電路要與HART兼容，必須符合HART物理層規范。HART規范文檔中包含了眾多物理層規范。其中重要的兩個是靜默期間的輸出噪聲和模擬變化率。

　　靜默期間的輸出噪聲

　　當HART設備沒有進行傳輸（靜默）時，不應在HART擴展頻帶中有噪聲耦合到網絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網絡上的其它設備對HART信號的接收。

　　對于在500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和擴展頻帶中的相關噪聲總和不能超過2.2 mV（有效值）。此噪聲通過在500 Ω負載上連接HCF_TOOL-31濾波器（可從HART通信基金會獲得）并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀（參見圖6）來測量。也可使用示波器來檢查輸出波形峰峰值電壓。

　　AD5420輸出電流設置為4 mA、12 mA和20 mA。測得噪聲沒有明顯差異。使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時，測得的均方根值分別為115 μV rms和252 μV rms。這兩個值均在要求的2.2 mV rms（使用HART濾波器）和138 mV rms（不使用HART濾波器的寬帶噪聲）規范內。

　　圖6. HART規范測試電路

　　圖7和圖8分別顯示4 mA和12 mA輸出電流的示波器曲線圖。請注意，濾波器的通帶增益為10。通道1和通道2分別顯示濾波器的輸入和輸出。

　　圖7. HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲，輸出電流為4 MA

　　圖8. HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲，輸出電流為12 MA

　　模擬變化率

　　這一技術規范可確保當設備調節電流時，模擬電流的變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化是會擾亂HART信號。使用如圖6所示的相同測試電路。為進行這個測試，AD5420編程輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得變化率。為了符合HART規范，濾波器輸出端的波形的峰值電壓不能大于150 mV。符合這一要求可確保模擬信號的帶寬處于規定的直流至25 Hz頻帶中。

　　AD5420輸出從4 mA變為20 mA的通常時間約為10 μs。這個速度顯然太快，而且會對HART網絡造成重大破壞。為了降低變化率，AD5420提供了兩種特性：一是在CAP1和CAP2引腳處連接電容，二是提供數字壓擺率控制功能（詳情請參考AD5420數據手冊 ）。

　　要使帶寬降低到25 Hz以下，需要在CAP1和CAP2引腳處連接非常大的電容值。解決方案是結合外部電容和AD5420的數字壓擺率控制功能。兩個電容C1和C2的作用是降低模擬信號的變化率；不過還不足以滿足規范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設置提供靈活性。

　　圖9. AD5420輸出（通道1）和HART濾波器輸出（通道2），SR CLOCK = 3，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC

　　圖9顯示AD5420的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為80 mV，處于規定范圍以內。壓擺率設置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，從4 mA至20 mA的轉換時間設為約120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未連接。如果這個變化率太慢，可以減少壓擺時間。但這會使濾波器輸出端的峰值電壓增加。從CAP1連接至AVDD 的電容可用于抵消此增加。

　　圖10顯示了壓擺率控制設置改為SR CLOCK = 5和SR STEP = 2，同時C1電容值保持4.7 nF不變的結果。這樣就會產生約240 ms的轉換時間。濾波器輸出端的峰值幅度可通過增加C1值、或配置更慢的壓擺率或通過兩者的組合來進一步降低。

　　圖10. AD5420輸出（通道1）和HART濾波器輸出（通道2），SR CLOCK = 5，SR STEP = 2，C1 = 4.7 NF，C2 = NC

　　瞬變電壓保護

　　AD5420內置ESD保護二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業控制環境會使I/O電路遭受高得多的瞬變。為了防止過高瞬態電壓影響AD5420，可能需要外部功率二極管和浪涌電流限制電阻，如圖1所示。對電阻值的約束條件（圖1中顯示為18 Ω）是，在正常工作期間，IOUT 的輸出電平必須保持在其電壓限值（AVDD ）以內，并且這兩個保護二極管和電阻必須具有適當的額定功率。在18 Ω下，對于4 mA至20 mA輸出，引腳上的電壓限值會降低V = IMAX × R = 0.36 V。還可以通過瞬態電壓抑制器(TVS)或瞬態吸收器可實現進一步的保護。這些元件包括單向和雙向抑制器，可提供各種各樣的隔離和擊穿電壓額定值。TVS應盡量采用擊穿電壓定標，同時在電流正常輸出的范圍內不導通。建議保護所有遠程連接節點。

　　在許多過程控制應用中，需要在控制器與受控單元之間提供一個隔離柵，以保護和隔離控制電路遭受可能發生的任何危險的共模電壓。ADI公司的i Coupler 系列產品可提供超過2.5 kV的電壓隔離。為了減少所需隔離器的數量，CLEAR等非關鍵信號可以連到GND；FAULT 和SDO可以不連接，從而只需要隔離三個信號。不過請注意，FAULT 或SDO引腳是訪問AD5420的故障檢測功能所必需的。

　　常見變化

　　圖1所示電路的一個常見變化是使用AD5422（LFCSP版本），它類似于AD5420，但具有電壓輸出通道和電流輸出通道。電路筆記CN-0065 提供有關IEC 61000兼容解決方案的額外信息，該解決方案適合使用AD5422和ADuM1401 數字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記 CN-0233 包含有關提供電源和數據隔離的信息，使用 ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的驅動器。

　　如果需要多個通道，可使用AD5755-1 四通道電壓和電流輸出DAC。該產品具有創新型片內動態電源控制功能，在電流模式下，可以限度地降低封裝功耗。各通道均有一個相應的CHART引腳，因此HART信號可以耦合到AD5755-1的電流輸出端。

　　如果需要環路供電的4 mA至20 mA HART解決方案，可以組合AD5421 和AD5700 HART調制解調器。

　　電路評估與測試

　　要構建此電路，需要使用AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ) 和AD5700-1評估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)，參見圖11。除外兩個評估板，該電路還需要三個外部電容（C1、 CH和CL)、一個負載電阻(RL)和一個UART接口。

　　設備要求

　　AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ)

　　AD5700評估板(EVAL-AD5700-1EBZ)

　　運行Windows XP的PC，帶USB端口

　　主機控制器和UART接口（標準微控制器，例如ADuC7060）

　　電源電壓：10.8 V至60 V

　　數字測試濾波器（HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會獲得）

　　500 Ω負載電阻

　　外部電容，C1 (4.7 nF)、CH (8.2 nF)、CL (4.7 nF)；一個電阻，RH (27 kΩ)

　　示波器，Tektronix DS1012B或等效器件

　　圖11. 測試設置框圖

　　對于靜默測試期間的輸出噪聲，如上所述，AD5700調制解調器不發射數據（靜默）。AD5420設置為輸出所需的電流并通過HCF（HART通信基金會）帶通濾波器。接著使用Tektronix TDS1012B示波器測量輸出噪聲。

　　模擬變化率規范可確保當AD5420調節電流時，模擬電流的變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號傳輸。

　　為進行這個測試，AD5420編程為輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，并且該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得變化率。所用的壓擺率設置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，C1設置為4.7 nF，C2保持開路。同時完成另一個測量，將SR CLOCK設置改變為5而不是3，并保持所有其他設置和元件值不變，從而進一步降低壓擺率。