具有額外電壓輸出能力的完整4 mA至20 mA HART解決方案

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路使用業(yè)界功耗最低且尺寸的HART®1兼容型IC調制解調器AD5700和16位電流輸出和電壓輸出DAC AD5422，構成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解決方案。該電路中采用 OP184，使得IOUT和VOUT引腳能夠短接在一起，從而減少可編程邏輯控制(PLC)模塊應用中所需的螺絲連接數(shù)量。為了進一步節(jié)省空間，AD5700-1 提供了精度為0.5%的內部振蕩器。

圖9. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時鐘= 3，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC

圖9顯示了AD5422的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為82 mV，處于規(guī)定范圍以內。壓擺率設置為SR時鐘= 3和SR階躍= 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。如果這個變化率太低，可以縮短壓擺時間。采用C1 = 4.7 nF且C2未連接的電路配置時，可以發(fā)現(xiàn)壓擺時間設為80 ms(SR時鐘= 1，SR階躍= 2)時，所得到的模擬變化率符合HART規(guī)范。然而，如果將壓擺時間進一步縮短至60 ms(SR時鐘= 0，SR階躍=2)，則會導致結果超出150 mV規(guī)格范圍。從CAP1連接至AVDD的電容可用于抵消濾波器輸出端因壓擺時間過快而導致的峰值電壓增加。然而，選擇此值時必須小心，因為它會影響“確定外部元件值”部分討論的低通濾波器截止頻率。

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

圖10. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時鐘= 5，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC

瞬態(tài)電壓保護

AD5422 內置ESD保護二極管，可防止正常操作造成的損害。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AD5422，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18Ω)是，在正常工作期間，IOUT的輸出電平必須保持在其順從電壓限值(AVDD − 2.5 V)以內，并且這兩個保護二極管和電阻必須具有適當?shù)念~定功率。在18Ω的條件下，對于4 mA至20 mA輸出，引腳處的順從限值降低V = IMAX × R = 0.36 V。 OP184 緩沖器的正輸入端還連接了一個10 kΩ電阻，用以限制瞬態(tài)期間的電流來保護放大器。通過瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)或瞬態(tài)吸收器可實現(xiàn)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應盡量采用最低擊穿電壓定標，同時在電流輸出的功能范圍內不導通。建議保護所有遠程連接節(jié)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，防止危險的共模電壓破壞電路。

ADI公司的iCoupler系列產品可隔離高于2.5 kV的電壓。有關iCoupler產品的詳情，請訪問 www.analog.com/icouplers為了減少所需隔離器的數(shù)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，F(xiàn)AULT或SDO引腳是訪問AD5422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 AD5422AD5420，它類似于AD5422，但只有一個電流輸出。因此，其輸出端沒有OP184緩沖器配置。這種AD5420和AD5700 HART調制解調器電路詳見CN-0270。電路筆記CN-0065提供有關IEC61000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包含有關提供電源和數(shù)據(jù)隔離的信息，所使用的是ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔離器的變壓器驅動器。

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(chuàng)新型片內動態(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的CHARTx引腳， 因此HART信號可以耦合至AD5755-1的電流輸出端。

電路評估與測試

要構建此電路， 需要使用 AD5422評估板 ( EVAL-AD5422EBZLFCSP P版本)和 AD5700-1評估板 (EVAL-AD5700-1EBZ)1EBZ)，參見圖11。除了這兩個評估板之外，該電路還需要三個外部電容(C1、CH和CL)、一個電阻(RH)、一個負載電阻(RL)、一個緩沖放大器以及一個UART接口。

設備要求 需要以下設備：

· AD5422 評估板( EVAL-AD5422EBZ LFCSP版本)

· 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)

· 10.8 V至60 V的電源

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

· 500Ω負載電阻

· OP184 放大器(位于單獨的試驗板上且?guī)в羞B接線)

· 外部電容C1 (4.7 nF)、CH (8.2 nF)和CL (4.7 nF);電阻RH (27 kΩ)

· Tektronix DS1012B示波器或等同產品

圖11. 測試設置框圖

靜默期間噪聲測量 AD5422 LFCSP

如前文所述，對于靜默測試期間的輸出噪聲，AD5700調制解調器并未在發(fā)射數(shù)據(jù)(靜默)。AD5422設置為輸出所需的電流并通過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;結果顯示輸出噪聲在HART通信基金會協(xié)議規(guī)范要求的范圍內。

模擬變化率測量 — AD5422 LFCSP

模擬變化率規(guī)范可確保當AD5422調節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號。為進行這個測試，AD5422被編程為輸出一個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。所用的壓擺率設置為SR時鐘= 3和SR階躍= 2，C1設置為4.7 nF，C2保持開路。

此外，再將SR時鐘設置改變?yōu)?而不是3，并保持其它所有設置和元件值不變，從而進一步降低壓擺率，由此另外進行測量;至于相關影響，可比較圖9和圖10來得出。

靜默期間噪聲測量 —AD5422 TSSOP

另外還執(zhí)行了額外測量，以模擬AD5422 TSSOP封裝選項在這種配置下的表現(xiàn);不過，沒有連接在CAP1引腳的電容(C1)(因為此器件的TSSOP版本沒有CAP1引腳)。

雖然與有C1的LFCSP器件相比，沒有C1時測得的靜默期間輸出噪聲值更大，但還是在HART通信基金會協(xié)議規(guī)范要求的范圍內。圖12和圖13中的通道2顯示了有HCF_TOOL-31濾波器時的寬帶噪聲，IOUT為4 mA時結果為530μV rms，IOUT為12 mA時結果為690μV rms?？蓪⑦@些曲線圖與圖7及圖8進行比較，以體現(xiàn)有無C1的影響如何。

圖12. 無C1且輸出電流為4 mA時HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲

圖13. 無C1且輸出電流為12 mA時HART濾波器輸入(通道1)和輸出(通道2)端的噪聲

模擬變化率測量 — AD5422 TSSOP

從模擬變化率測試的角度來看，無論有無C1，最大峰值結果都相似。主要區(qū)別在于，沒有C1時，峰峰值本底噪聲要大得多。圖14和圖15分別是壓擺率為120 ms(SR時鐘= 3和SR階躍= 2)和240 ms(SR時鐘= 5和SR階躍= 2)時的模擬變化率曲線圖。

圖14. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時鐘= 3，SR階躍= 2，C1 = NC，C2 = NC

圖15. AD5422輸出(通道1)和HART濾波器輸出(通道2)，SR時鐘= 5，SR階躍= 2，C1 = NC，C2 = NC

同樣，可將這些曲線圖與圖9及圖10進行比較，以體現(xiàn)有無C1的影響如何。雖然這種電路配置中所用的HART耦合技術要求采用外部RSET電阻，但請注意，即使該電路的HART部分未實施，添加緩沖器也會在使用內部RSET電阻時造成IOUT精度略微降低。因此，在使用這種緩沖器配置將電壓和電流輸出引腳連接在一起時，建議使用外部RSET電阻。