電路功能與優勢

　　圖1所示電路是一款完整的智能工業環路供電現場儀器，提供 4 mA至20 mA模擬輸出和可尋址遠程傳感器高速通道（HART?） 接口。HART是一種數字雙向通信，可在4 mA至20 mA模擬電流信號之上調制一個1 mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號。它可實現眾多功能，例如遠程校準、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用中是必須的。

　　該電路已通過兼容性測試和驗證，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位環路供電數模轉換器（DAC） AD5421 ，以及業界功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC調制解調器 AD5700。

　　圖1. 具有HART接口的4 mA至20 mA環路供電現場儀器（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型模數轉換器（ADC）。同時還集成了可編程增益儀表放大器、精密帶隙基準電壓源、可編程電流源、靈活的多路復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用要求。

　　主傳感器輸入

　　的片內ADC0測量現場儀器的主傳感器，在圖1中表示為橋式傳感器。該傳感器通過一個RC濾波器網絡連接至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強系統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，使測量獨立于傳感器電源電壓的確切值。若應用需要，則片內接地開關可動態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，可對主傳感器進行溫度補償。

　　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的確切電流值進行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測得。ADC1使用片內帶隙基準電壓源。

　　數字數據處理、算法和通信

　　所有現場儀器的數字功能均由 ADuCM36032位ARM Cortex? M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節非易失性fiash/EE 存儲器、8 k字節SRAM，以及一個支持有線（2× SPI、UART、 I2C）通信外設的11通道直接存儲器訪問（DMA）控制器。

　　演示軟件可進行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數據、控制模擬輸出，并進行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 環路供電輸出驅動器，可提供現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環路相關的診斷功能。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路端的電壓。該ADC還可通過內部傳感器測量芯片溫度。 ADuCM360 控制器可配置并讀取 AD5421， 的全部診斷數據，但 AD5421也可采用自主工作方式。

　　例如，若控制器和 AD5421之間的通信發生故障， AD5421 將在一段時間后自動設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。此報警電流將現場儀器工作故障這一情況匯報給主機。

　　輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART 通信產生干擾。（參見“模擬變化率”部分）。

　　HART通信

　　AD5700 集成完整的HART FSK調制解調器。該調制解調器通過標準UART接口，伴隨請求發送（RTS）和載波檢測（CD） 信號實現與 ADuCM360控制器的連接。

　　HART輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調整至所需幅度，并耦合至 AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅動和調制輸出電流。

　　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解調器的帶通濾波器，同時增強系統抵抗電磁干擾的能力——這對于穩定工作在惡劣工業環境中的應用而言非常重要。

　　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，產生HART調制解調器的時鐘。

　　輸出保護

　　瞬變電壓抑制器（TVS）保護4 mA至20 mA HART接口免受過壓影響。其額定電壓不應超過 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，需關注一定環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，提高環路電壓最大值。

　　本電路具有保護功能，通過與環路輸出相串聯的一對二極管保護電路免受極性反轉的影響。

　　鐵氧體磁珠與環路串聯，該串聯部分與4700 pF電容一同提升系統的EMC性能。由于HART網絡的規格限制，請勿在環路端點處使用更高數值的電容。

　　4.7 V低泄露齊納二極管保護 AD5421 的片內50 Ω環路檢測電阻免受 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 編程或調試電路時）。

　　電源和電源管理

　　包括傳感器驅動電流在內的完整現場儀器電路必須工作在 4 mA至20 mA環路提供的限量電源下。這對所有環路供電現場儀器設計而言，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例。應用中用到的全部三個集成電路均針對低功耗而設計，并且電路依靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結構和性能最優的環路供電解決方案。

　　AD5421采用4 mA至20 mA環路電壓供電，為電路的其余部分提供經過調節的低電壓。依據電路的需求， AD5421 REGOUT 電壓可以編程在1.8 V至12 V范圍內。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路的任何干擾的影響。它還能防止電路產生的任何干擾（尤其是控制器和數字電路產生的干擾）回流耦合至環路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。

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

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

　　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接地開關引腳控制主傳感器的激勵和電源。儀器上電時，開關默認為關閉。這一默認設定允許在開啟傳感器之前對系統進行全面配置，包括適當的電源模式，從而最大程度降低4 mA至20 mA環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從機命令響應，用于演示硬件的功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協議層。

　　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電壓源和接地開關使用的額外引腳。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場儀器，這款現場儀器解決方案并不局限于溫度補償型壓力測量。

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

　　ADuCM361 片內DAC和外部晶體管可用于控制4 mA至20 mA 環路，詳情請參見CN-0300。

　　AD5421可通過保護電路直接與環路相連。也可在AD5421 和環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 %精度的集成式內部振蕩器使用。與晶體振蕩器相比，內部振蕩器最多可提升225 μA調制解調器電源電流，但因為無需使用外部晶體，因此該方案同時節省了成本，降低了所需的電路板面積。

　　對于非環路供電的應用，則 AD5410， AD5420， AD5422或AD5755 是針對4 mA至20 mA DAC不錯的選擇。

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