具有HART接口的完整4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場儀器

連接/參考器件

ADuCM360：低功耗、精密模擬微控制器

AD5421：16位、環(huán)路供電、4 mA至20 mA DAC

AD5700：低功耗HART調(diào)制解調(diào)器

評估和設計支持

電路評估板

CN0267電路評估板(DEMO-AD5700D2Z)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、代碼示例

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的智能工業(yè)環(huán)路供電現(xiàn)場儀器，提供4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠程傳感器高速通道(HART)接口。HART是一種數(shù)字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調(diào)制一個1 mA峰峰值頻移鍵控(FSK)信號。它可實現(xiàn)眾多功能，例如遠程校準、故障查詢和過程變量傳輸;這些功能在諸如溫度和壓力控制等應用中是必須的。

該電路已通過兼容性測試和驗證，并通過了HART通信基金會(HCF)的注冊。這一成功注冊可讓電路設計人員極其放心地使用電路中的一個或全部元件。

該電路使用了超低功耗精密模擬微控制器ADuCM360、4 mA至20 mA 16位環(huán)路供電數(shù)模轉換器(DAC) AD5421，以及業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調(diào)制解調(diào)器AD5700。

電路描述

模擬前端接口

ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉換器(ADC)。同時還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程電流源、靈活的多路復用器以及其它許多特性。該器件允許直接與多個模擬傳感器對接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及工業(yè)用途的其它各類傳感器。

圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的示例電路。而ADuCM360具有靈活的前端，允許進行除此之外的其它各種配置，滿足各種類型的精密模擬傳感器應用要求。

主傳感器輸入

ADuCM360的片內(nèi)ADC0測量現(xiàn)場儀器的主傳感器，在圖1中表示為橋式傳感器。該傳感器通過一個RC濾波器網(wǎng)絡連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF-基準電壓輸入檢測電橋的激勵電壓并啟動電路的比率工作模式，使測量獨立于傳感器電源電壓的確切值。若應用需要，則片內(nèi)接地開關可動態(tài)斷開電橋的激勵電壓，降低功耗。

輔助傳感器輸入

本電路使用100 Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測器(RTD)作為輔助傳感器。RTD能夠檢測主傳感器的溫度，因此，如果必要，可對主傳感器進行溫度補償。

ADuCM360可編程電流源通過AIN4引腳為RTD提供電源。ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2引腳，測量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對流過RTD的確切電流值進行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準電壓源。

數(shù)字數(shù)據(jù)處理、算法和通信

所有現(xiàn)場儀器的數(shù)字功能均由ADuCM360 32位ARM Cortex M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節(jié)非易失性flash/EE存儲器、8 k字節(jié)SRAM，以及一個支持有線(2× SPI、UART、I2C)通信外設的11通道直接存儲器訪問(DMA)控制器。

演示軟件可進行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數(shù)據(jù)、控制模擬輸出，并進行HART通信。

模擬輸出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA環(huán)路供電輸出驅動器，可提供現(xiàn)場儀器模擬輸出所需的全部功能。

AD5421通過SPI接口與ADuCM360控制器對接。

AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關的診斷功能。輔助ADC可通過連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電阻分壓器測量儀器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過集成式傳感器測量芯片溫度。ADuCM360控制器可配置并讀取AD5421的全部診斷數(shù)據(jù)，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之間的通信發(fā)生故障，AD5421將在一段時間后自動設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。此報警電流將現(xiàn)場儀器工作故障這一情況匯報給主機。

輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART通信產(chǎn)生干擾。(參見“模擬變化率”部分)。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器通過標準UART接口，伴隨請求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD)信號實現(xiàn)與ADuCM360控制器的連接。

HART輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅動和調(diào)制輸出電流。

HART輸入通過一個簡單的有源RC濾波器，從LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一級，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時增強系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應用而言非常重要。

AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘。

靜默期間的輸出噪聲測試

當HART設備沒有進行傳輸(靜默)時，噪聲不應耦合至網(wǎng)絡上。噪聲過高可能會干擾設備本身或網(wǎng)絡上的其它設備對HART信號的接收。

對于在環(huán)路中的500 Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的寬帶噪聲和HART擴展頻帶中的相關噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此外，HART擴展頻帶外的噪聲不應超過138 mV rms。

500 Ω負載上的噪聲采用真均方根測量儀測得。此噪聲作為帶外噪聲直接進行測量，作為帶內(nèi)噪聲通過HCF_TOOL-31濾波器測量。也可使用示波器來檢查噪聲波形。

在最差情況下進行噪聲測量，即4 mA輸出電流。圖4顯示捕獲的噪聲波形，結果總結在表1中。

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