完整的4mA至20mA HART解決方案

作者：時間：2012-08-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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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(shù)規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾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(jìn)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，以獲得最大變化率。為了符合HART規(guī)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最大帶寬處于規(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。

AD5420輸出從4 mA變?yōu)?0 mA的通常時間約為10 μs。這個速度顯然太快，而且會對HART網(wǎng)絡(luò)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(shù)字壓擺率控制功能(詳情請參考AD5420數(shù)據(jù)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。最佳解決方案是結(jié)合外部電容和AD5420的數(shù)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(guī)范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設(shè)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(guī)定范圍以內(nèi)。壓擺率設(shè)置為SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，從4 mA至20 mA的轉(zhuǎn)換時間設(shè)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(shè)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(jié)果。這樣就會產(chǎn)生約240 ms的轉(zhuǎn)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(jìn)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(hù)

AD5420內(nèi)置ESD保護(hù)二極管，可防止器件在一般工作條件下受損。但是，工業(yè)控制環(huán)境會使I/O電路遭受高得多的瞬變。為了防止過高瞬態(tài)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(nèi)，并且這兩個保護(hù)二極管和電阻必須具有適當(dāng)?shù)念~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(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的保護(hù)。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(yīng)盡量采用最低擊穿電壓定標(biāo)，同時在電流正常輸出的范圍內(nèi)不導(dǎo)通。建議保護(hù)所有遠(yuǎn)程連接節(jié)點(diǎn)。

在許多過程控制應(yīng)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(hù)和隔離控制電路遭受可能發(fā)生的任何危險的共模電壓。ADI公司的i Coupler 系列產(chǎn)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(shù)量，CLEAR等非關(guān)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，F(xiàn)AULT 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(guān)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(shù)字隔離器的全隔離式輸出模塊。電路筆記 CN-0233 包含有關(guān)提供電源和數(shù)據(jù)隔離的信息，使用 ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅(qū)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(chǎn)品具有創(chuàng)新型片內(nèi)動態(tài)電源控制功能，在電流模式下，可以最大限度地降低封裝功耗。各通道均有一個相應(yīng)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(huán)路供電的4 mA至20 mA HART解決方案，可以組合AD5421 和AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器。

電路評估與測試

要構(gòu)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(fù)載電阻(RL)和一個UART接口。

設(shè)備要求

AD5420評估板(EVAL-AD5420EBZ)

AD5700評估板(EVAL-AD5700-1EBZ)

運(yùn)行Windows XP的PC，帶USB端口

主機(jī)控制器和UART接口(標(biāo)準(zhǔn)微控制器，例如ADuC7060)

電源電壓：10.8 V至60 V

數(shù)字測試濾波器(HCF_TOOL-31，可從HART通信基金會獲得)

500 Ω負(fù)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)