資料介紹
CN0270 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,因而是PLC/DCS類應用的常見選擇。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,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。該產品具有創新型片內動態電源控制功能,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。 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,以獲得最大變化率。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。 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)。二極管保護電路(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。確定電容的絕對值時,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
?
表1. 個別頻率響應的影響元件值增加
元件
?C1
?CH
?CL
?RH
?fL(Hz)
?↓
?↓
?↓
?↓
?fH(kHz)
?↓
?無變化
?無變化
?無變化
?G(dB)
?↓
?↑
?↓
?↓
調制解調器的輸出是一個FSK信號,包括1200 Hz和2200 Hz移頻。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。其中最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 ?負載上測得的電壓噪聲,其包含的擴展頻帶中的寬帶噪聲和相關噪聲總和不超過2.2 mV rms。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
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模擬變化率
此規范可確保當設備調節電流時,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。仍然使用如圖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,并且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。最佳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
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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,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、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
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瞬變電壓保護
AD5420內置ESD保護二極管,在一般工作條件下可防止器件受損。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應盡量采用最低擊穿電壓定標,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iCoupler 系列產品可提供超過2.5 kV的電壓隔離。有關iCoupler產品的更多信息,請訪問www.analog.com/icouplers。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。 CN0270 完整的4 mA至20 mA HART解決方案 圖1所示電路使用 AD5700 (業界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC調制解調器) 以及AD5420 (一款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,這在環路供電變送器的應用中非常常見。
為了進一步節省空間, AD5700-1 提供了精度為0.5%的內部振蕩器。
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,過程控制儀器儀表中一直使用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。
可尋址遠程傳感器高速通道(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。 CN0270 圖1所示的電路使用 AD5700——業界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC調制解調器,以及ADI
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