针对HART支持的4mA至20mA输入优化电路设计
作者：derrick hartmann 和 michal brychta
hart（高速可寻址远程传感器）协议允许通过传统的模拟 4 ma 至 20 ma 电流环路进行双向 1.2 khz/2.2 khz fsk（频移键控）调制数字通信。这允许对传感器/执行器进行询问，并在设备安装、监控和维护期间提供显着优势。hart为使用便携式辅助设备询问传感器/执行器的维护人员提供了好处，但要充分发挥hart带来的所有好处，传感器/执行器必须连接到具有hart支持的电流输入或输出的控制系统。本文将重点介绍支持hart的电流输入，以及在已经空间受限的4 ma至20 ma输入设计中添加hart功能的相关挑战。
首先，让我们关注hart fsk发送电路。图1显示了hart fsk发射电路的传统方法，在讨论该电路之后，我们将展示改进的电路设计，从而节省空间和成本。
图1.传统的hart fsk发射电路。
在图 1 中，r意义将4 ma至20 ma信号转换为1 v至5 v信号，由adc读取。hart fsk 发射电路交流电通过 c1 将 ±500 mv hart fsk 信号耦合到 4 ma 至 20 ma 环路。这些信号是正弦或梯形波形。在hart调制解调器的输出端需要一个具有足够驱动强度的良好缓冲器，因为r意义代表低阻抗，电流环路布线上也可能有相当大的电容。当hart不传输时，缓冲器输出会向环路提供低阻抗，这可能会损害4 ma至20 ma信号。因此，开关（sw1）与缓冲器输出串联使用，以便在不传输时提供高阻抗。
sw1开路时，4 ma至20 ma环路可在1 v至5 v之间摆动。由于这种变化是交流耦合到sw1的，因此开关的输入电压可能高达±4 v。因此，开关需要±5 v或更高的双极性电源，或者可以使用光电开关。三态缓冲器是另一种选择，但同样，该缓冲器需要双极性电源。另一种选择是使用变压器隔离。考虑到hart信号频率，将需要音频变压器，这可能体积庞大，并且占用大量电路板面积。
图2显示了改进的hart fsk发射电路设计，该设计在减少空间和成本方面具有优势。在本电路中，ad5700 hart调制解调器具有足够的驱动强度，无需外部缓冲器即可将±500 mv fsk信号直接驱动到电流环路上。
图2.改进了hart fsk发射电路。
调制解调器不传输时，ad5700的fsk输出偏置至0.75 v，阻抗为70 kω。r2和r3提供更强的0.75 v偏置，交流阻抗为r2和r3 = 1.7 kω。由该1.7 kω和c1组成的高通滤波器可确保最差情况下的4 ma至20 ma输入信号，该信号在200 ω r范围内为25 hz时为±16 ma意义，仅导致hart调制解调器fsk输出被驱动至0 v至1.5 v之间。这意味着整个输入可以采用低至1.62 v的单极性电源供电，其中1.62 v是hart调制解调器的最小电源。
另一个考虑因素是输入阻抗，应大于230 ω。为了确保足够大的输入阻抗，250 ω输入电阻被分成50 ω和200 ω。交流输入阻抗为 r1 + （r意义||r2 ||r3） ≈ 230 ω。如果需要，可以通过增加0.75偏置电阻r2和r3的值来增加该阻抗。fsk发射路径中额外的50 ω将在一定程度上衰减fsk信号，但电压仍将满足hart规范的要求。
当电流环路摆动时，会有一些电流流过c1、r2和r3。必须确保这不会显著影响4 ma至20 ma模拟信号。将 0.1% 视为可接受的误差贡献<等于 7 个时间常数 （τ）。所以 7τ = 7 × r × c = 7 × （r2 ||r3） × c1 = 30 毫秒。4 ma至20 ma模拟信号限制为25 hz，相当于40 ms周期。由于这比7个时间常数长，这意味着额外的电流测量误差将始终<0.1%。
这种改进的电路（如图2所示）消除了对缓冲器和开关的需求，也消除了对双极性电源的需求。与传统的hart fsk发射电路相比，这三个因素为系统节省了大量空间和成本。
hart fsk输入的电路如图3所示。这提供了一个带通滤波器来抑制低频模拟信号，并提供对高频干扰源的抗扰度。所示滤波器专为ad5700量身定制，因不同的hart调制解调器而异。该带通滤波器的一个特点是r1提供的150 kω输入阻抗，可提供固有的高水平瞬态事件保护。
图3.哈特fsk输入。
用于4 ma至20 ma电流测量的电路如图4所示。200 ω精度 r意义电阻将4 ma至20 ma信号转换为0.8 v至4 v信号，由adc转换。接下来是双极点低通滤波器r2、c1、r3、c2，以抑制hart fsk信号。然后将该信号馈送到adc进行转换。
图4.电流测量电路。
本文中描述的电路已经过构建和测试，可用作具有hart兼容性的plc/dcs四通道电压和电流输入的参考电路—cn0364。本文中描述的电路在该板上完全实现，另外一个原因是该板还支持在四个输入通道之间多路复用hart。为了测试相关通道，fsk发射开关可以保持开路或闭合状态，当保持开路时，电路将与图2中的电路相同。此参考设计的文档可在 www.analog.com/cn0364 免费获得，硬件也可购买。
本文概述了如何为启用hart的模拟输入实现硬件。它还展示了使用ad5700 hart调制解调器改进的hart fsk发送电路。这种改进的电路无需任何外部缓冲器或开关，从而节省了电路板空间和成本。它还消除了对双极性电源的需求，从而节省了空间、成本和电源复杂性。
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首先，让我们关注hart fsk发送电路。图1显示了hart fsk发射电路的传统方法，在讨论该电路之后，我们将展示改进的电路设计，从而节省空间和成本。
图1.传统的hart fsk发射电路。
在图 1 中，r意义将4 ma至20 ma信号转换为1 v至5 v信号，由adc读取。hart fsk 发射电路交流电通过 c1 将 ±500 mv hart fsk 信号耦合到 4 ma 至 20 ma 环路。这些信号是正弦或梯形波形。在hart调制解调器的输出端需要一个具有足够驱动强度的良好缓冲器，因为r意义代表低阻抗，电流环路布线上也可能有相当大的电容。当hart不传输时，缓冲器输出会向环路提供低阻抗，这可能会损害4 ma至20 ma信号。因此，开关（sw1）与缓冲器输出串联使用，以便在不传输时提供高阻抗。
sw1开路时，4 ma至20 ma环路可在1 v至5 v之间摆动。由于这种变化是交流耦合到sw1的，因此开关的输入电压可能高达±4 v。因此，开关需要±5 v或更高的双极性电源，或者可以使用光电开关。三态缓冲器是另一种选择，但同样，该缓冲器需要双极性电源。另一种选择是使用变压器隔离。考虑到hart信号频率，将需要音频变压器，这可能体积庞大，并且占用大量电路板面积。
图2显示了改进的hart fsk发射电路设计，该设计在减少空间和成本方面具有优势。在本电路中，ad5700 hart调制解调器具有足够的驱动强度，无需外部缓冲器即可将±500 mv fsk信号直接驱动到电流环路上。
图2.改进了hart fsk发射电路。
调制解调器不传输时，ad5700的fsk输出偏置至0.75 v，阻抗为70 kω。r2和r3提供更强的0.75 v偏置，交流阻抗为r2和r3 = 1.7 kω。由该1.7 kω和c1组成的高通滤波器可确保最差情况下的4 ma至20 ma输入信号，该信号在200 ω r范围内为25 hz时为±16 ma意义，仅导致hart调制解调器fsk输出被驱动至0 v至1.5 v之间。这意味着整个输入可以采用低至1.62 v的单极性电源供电，其中1.62 v是hart调制解调器的最小电源。
另一个考虑因素是输入阻抗，应大于230 ω。为了确保足够大的输入阻抗，250 ω输入电阻被分成50 ω和200 ω。交流输入阻抗为 r1 + （r意义||r2 ||r3） ≈ 230 ω。如果需要，可以通过增加0.75偏置电阻r2和r3的值来增加该阻抗。fsk发射路径中额外的50 ω将在一定程度上衰减fsk信号，但电压仍将满足hart规范的要求。
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用于4 ma至20 ma电流测量的电路如图4所示。200 ω精度 r意义电阻将4 ma至20 ma信号转换为0.8 v至4 v信号，由adc转换。接下来是双极点低通滤波器r2、c1、r3、c2，以抑制hart fsk信号。然后将该信号馈送到adc进行转换。
图4.电流测量电路。
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