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具有HART接口的完整4mA至20mA环路供电现场仪器

发布时间:2020-02-03 05:41:57 阅读: 来源:绒布厂家

连接/参考器件

本文引用地址::低功耗、精密模拟微控制器

AD5421:16位、环路供电、4 mA至20 mA DAC

AD5700:低功耗HART调制解调器

评估和设计支持

电路评估板

CN0267电路评估板(DEMO-AD5700D2Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单、代码示例

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的智能工业环路供电现场仪器,提供4 mA至20 mA模拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART)接口。HART是一种数字双向通信,可在4 mA至20 mA模拟电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。它可实现众多功能,例如远程校准、故障查询和过程变量传输;这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是必须的。

该电路已通过兼容性测试和验证,并通过了HART通信基金会(HCF)的注册。这一成功注册可让电路设计人员极其放心地使用电路中的一个或全部元件。

该电路使用了超低功耗精密模拟微控制器ADuCM360、4 mA至20 mA 16位环路供电数模转换器(DAC) AD5421,以及业界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC调制解调器AD5700。

电路描述

模拟前端接口

ADuCM360模拟前端集成双通道、高性能、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。同时还集成了可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性。该器件允许直接与多个模拟传感器对接,如压力传感器电桥、电阻式温度传感器、热电偶以及工业用途的其它各类传感器。

图1表示连接主要桥式传感器与辅助电阻式温度传感器的示例电路。而ADuCM360具有灵活的前端,允许进行除此之外的其它各种配置,满足各种类型的精密模拟传感器应用要求。

主传感器输入

ADuCM360的片内ADC0测量现场仪器的主传感器,在图1中表示为桥式传感器。该传感器通过一个RC滤波器网络连接至模拟输入引脚AIN0和AIN1,以便增强系统抵抗电磁干扰的能力。共模滤波器带宽约为16 kHz,差模带宽为800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF-基准电压输入检测电桥的激励电压并启动电路的比率工作模式,使测量独立于传感器电源电压的确切值。若应用需要,则片内接地开关可动态断开电桥的激励电压,降低功耗。

辅助传感器输入

本电路使用100 Ω铂(Pt)电阻温度检测器(RTD)作为辅助传感器。RTD能够检测主传感器的温度,因此,如果必要,可对主传感器进行温度补偿。

ADuCM360可编程电流源通过AIN4引脚为RTD提供电源。ADuCM360上的ADC1利用配置为差分输入的AIN3和AIN2引脚,测量RTD的电压。利用精密电阻(RREF),对流过RTD的确切电流值进行检测,并使用ADC1的AIN7引脚测得。ADC1使用片内带隙基准电压源。

数字数据处理、算法和通信

所有现场仪器的数字功能均由ADuCM360 32位ARM Cortex M3 RISC处理器提供,该处理器集成128 k字节非易失性flash/EE存储器、8 k字节SRAM,以及一个支持有线(2× SPI、UART、I2C)通信外设的11通道直接存储器访问(DMA)控制器。

演示软件可进行初始化和配置、处理来自模拟输入的数据、控制模拟输出,并进行HART通信。

模拟输出

AD5421集成16位低功耗精密DAC,该DAC带4 mA至20 mA环路供电输出驱动器,可提供现场仪器模拟输出所需的全部功能。

AD5421通过SPI接口与ADuCM360控制器对接。

AD5421还集成了一系列与4 mA至20 mA环路相关的诊断功能。辅助ADC可通过连接至VLOOP引脚上的20 MΩ/1 MΩ电阻分压器测量仪器环路端的电压。该ADC还可通过集成式传感器测量芯片温度。ADuCM360控制器可配置并读取AD5421的全部诊断数据,但AD5421也可采用自主工作方式。

例如,若控制器和AD5421之间的通信发生故障,AD5421将在一段时间后自动设置其模拟输出为3.2 mA报警电流。此报警电流将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

输出电流值的任何改变都受到软件的控制,以防对HART通信产生干扰。(参见“模拟变化率”部分)。

HART通信

AD5700集成完整的HART FSK调制解调器。该调制解调器通过标准UART接口,伴随请求发送(RTS)和载波检测(CD)信号实现与ADuCM360控制器的连接。

HART输出通过0.068 μF/0.22 μF容性分压器调整至所需幅度,并耦合至AD5421的CIN引脚,然后与DAC输出一同驱动和调制输出电流。

HART输入通过一个简单的有源RC滤波器,从LOOP+端耦合至AD5700的ADC_IP引脚。RC滤波器作为第一级,用作HART解调器的带通滤波器,同时增强系统抵抗电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的应用而言非常重要。

AD5700低功耗振荡器采用与XTAL1和XTAL2引脚直接相连的3.8664 MHz外部晶振,产生HART调制解调器的时钟。

静默期间的输出噪声测试

当HART设备没有进行传输(静默)时,噪声不应耦合至网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上的其它设备对HART信号的接收。

对于在环路中的500 Ω负载上测得的电压噪声,其包含的宽带噪声和HART扩展频带中的相关噪声总和不能超过2.2 mV rms。此外,HART扩展频带外的噪声不应超过138 mV rms。

500 Ω负载上的噪声采用真均方根测量仪测得。此噪声作为带外噪声直接进行测量,作为带内噪声通过HCF_TOOL-31滤波器测量。也可使用示波器来检查噪声波形。

在最差情况下进行噪声测量,即4 mA输出电流。图4显示捕获的噪声波形,结果总结在表1中。

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