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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)眾多功能，例如遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、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(yīng)用中是必須的。

　　該電路已通過兼容性測試和驗(yàn)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(shè)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、4mA 至20 mA 16位環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)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。

　　圖1. 具有HART接口的4 mA至20 mA環(huán)路供電現(xiàn)場儀器（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

　　Figure 1A. DEMO-AD5700D2Z Printed Circuit Board （Pressure Sensor Not Included）

　　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(zhuǎn)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(zhǔn)電壓源、可編程電流源、靈活的多路復(fù)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(jìn)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(yīng)用要求。

　　主傳感器輸入

　　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(luò)連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強(qiáng)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(zhǔn)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(dú)立于傳感器電源電壓的確切值。若應(yīng)用需要，則片內(nèi)接地開關(guān)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100Ω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(jìn)行溫度補(bǔ)償。

　　ADuCM360可編程電流源通過AIN4引腳為RTD提供電流。 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(jìn)行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準(zhǔn)電壓源。

　　數(shù)字?jǐn)?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 ADuCM36032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fiash/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(shè)的11通道直接存儲器訪問（DMA）控制器。

　　演示軟件可進(jìn)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(jìn)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(qū)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(guān)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還可通過內(nèi)部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(shè)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(jī)。

　　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(biāo)準(zhǔn)UART接口，伴隨請求發(fā)送（RTS）和載波檢測（CD） 信號實(shí)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(qū)動和調(diào)制輸出電流。

　　被耦合到LOOP+端的HART信號通過一個簡單的有源RC濾波器輸入到 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(qiáng)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(yīng)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。

　　輸出保護(hù)

　　瞬變電壓抑制器（TVS）保護(hù)4 mA至20 mA HART接口免受過壓影響。其額定電壓不應(yīng)超過 AD5421 在REGIN引腳上的60 V 絕對最大電壓。請注意，TVS泄漏電流可能會影響電流輸出精度；因此，選用此器件時，需關(guān)注一定環(huán)路電壓和溫度范圍下的泄漏電流。

　　可使用外部耗盡型FET與 AD5421 搭配工作，提高環(huán)路電壓最大值。

　　本電路具有保護(hù)功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對二極管保護(hù)電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。

　　鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡(luò)的規(guī)格限制，請勿在環(huán)路端點(diǎn)處使用更高數(shù)值的電容。

　　4.7 V低泄露齊納二極管保護(hù) AD5421 的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電阻免受 AD5421的COM引腳和LOOP?引腳間意料之外的外部電壓影響（例如，對 ADuCM360 編程或調(diào)試電路時）。

　　電源和電源管理

　　包括傳感器驅(qū)動電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場儀器電路必須工作在 4 mA至20 mA環(huán)路提供的限量電源下。這對所有環(huán)路供電現(xiàn)場儀器設(shè)計而言，都是一個普遍的難題。圖1中的電路提供了低功耗以及高性能解決方案的一個實(shí)例。應(yīng)用中用到的全部三個集成電路均針對低功耗而設(shè)計，并且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)的環(huán)路供電解決方案。

　　AD5421采用4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，為電路的其余部分提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓。依據(jù)電路的需求， AD5421 REGOUT 電壓可以編程在1.8 V至12 V范圍內(nèi)。圖1中的電路采用3.3 V電源電壓選項，作為所用輸入傳感器的一個實(shí)例。然而，由于 ADuCM360和 AD5700 具有更寬的電源電壓范圍，因此可采用不同的電源電壓，以滿足應(yīng)用要求。

　　REGOUT RC濾波器（10 μF/10 Ω/10 μF）有助于防止傳感器模擬前端受到來自環(huán)路的任何干擾的影響。它還能防止電路產(chǎn)生的任何干擾（尤其是控制器和數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾）回流耦合至環(huán)路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。

　　AD5700HART調(diào)制解調(diào)器通過一個額外的RC濾波器供電 （470 Ω/1 μF）。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中的作用非常重要，因?yàn)樗煞乐?AD5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路輸出進(jìn)行耦合；若非如此，將影響HART通信。在靜默測試期間，特地通過HART帶內(nèi)噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪聲性能問題。 AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過將 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達(dá)到的功耗范圍中選擇最低值。

　　ADuCM360具有極為靈活的內(nèi)部電源管理功能，提供所有內(nèi)部模塊的許多供電和時鐘選項，并且當(dāng)軟件調(diào)用時，允許針對特定的儀器應(yīng)用，在要求的功能、性能和功耗之間取得最佳平衡。請參考 ADuCM360 產(chǎn)品頁面和 AN-1111應(yīng)用指南。

　　模擬前端AVDD通過另一個濾波器（10 μF/鐵氧體磁珠/1.6 Ω/ 10 μF）供電，以便最大程度針對低壓傳感器信號減少電源噪聲，獲得更佳性能。

　　ADuCM360 的GND_SW接地開關(guān)引腳控制主傳感器的激勵和電源。儀器上電時，開關(guān)默認(rèn)為關(guān)閉。這一默認(rèn)設(shè)定允許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進(jìn)行全面配置，包括適當(dāng)?shù)碾娫茨Ｊ?，從而最大程度降? mA至20 mA環(huán)路輸出上可能存在的任何上電尖峰。

　　類似地，輔助傳感器采用 ADuCM360的可編程電流源供電，因此可通過軟件完全控制其電源輸入。

　　ADuCM360 軟件

　　可在 CN-0267 設(shè)計支持包中找到演示本電路功能和性能的基本代碼示例。

　　代碼示例包括基本HART從機(jī)命令響應(yīng)，用于演示硬件的功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協(xié)議層。

　　常見變化

　　ADuCM360具有一個高性能且非常靈活的模擬前端，提供 12個模擬輸入引腳以及供基準(zhǔn)電壓源和接地開關(guān)使用的額外引腳。它允許與多個各類模擬傳感器直接接口，比如任意的阻性橋式傳感器、電阻式溫度傳感器或熱電偶。由于可用于幾乎所有的傳感器現(xiàn)場儀器，這款現(xiàn)場儀器解決方案并不局限于溫度補(bǔ)償型壓力測量。

　　在模擬前端只需一個Σ-Δ型ADC的應(yīng)用中，可使用 ADuCM361替換 ADuCM360。除了備用ADC， ADuCM361提供 ADuCM360的所有特性。

　　ADuCM361 片內(nèi)DAC和外部晶體管可用于控制4 mA至20 mA 環(huán)路，詳情請參見CN-0300。

　　AD5421可通過保護(hù)電路直接與環(huán)路相連。也可在AD5421 和環(huán)路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖2所示。由于在本配置中使用額外MOSFET，因此可將 AD5421 上的電壓降保持在12 V左右，降低 AD5421封裝的功耗，并增加4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還可將環(huán)路允許的最大電壓提升至MOSFET的額定電平值。額外的MOSFET對 HART通信無影響。

　　圖2. MOSEFT連接至AD5421環(huán)路電源

　　本電路中， AD5700與3.8664 MHz晶振共同使用，形成具有最低功耗的配置。作為替代方案， AD5700-1可配合0.5 %精度的集成式內(nèi)部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內(nèi)部振蕩器最多可提升225 μA調(diào)制解調(diào)器電源電流，但因?yàn)闊o需使用外部晶體，因此該方案同時節(jié)省了成本，降低了所需的電路板面積。

　　對于非環(huán)路供電的應(yīng)用，則 AD5410， AD5420， AD5422或AD5755 是針對4 mA至20 mA DAC不錯的選擇。

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