基于AD5700和AD5420的4-20mA HART解決方案

在工業(yè)過程控制領域，4 - 20mA通信已經(jīng)使用多年，它可靠且抗干擾能力強，但只能進行單向單變量通信。而HART（Highway Addressable Remote Transducer）標準的出現(xiàn)，實現(xiàn)了在4 - 20mA模擬信號基礎上的雙向數(shù)字通信，為工業(yè)控制帶來了更多功能，如遠程校準、故障查詢和額外過程變量傳輸?shù)?。今天我們就來詳細探討基于AD5700和AD5420構(gòu)建的完整4 - 20mA HART解決方案。

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一、電路概述

1. 主要器件

• AD5700：業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC調(diào)制解調(diào)器，AD5700 - 1還提供0.5%精度的內(nèi)部振蕩器，可節(jié)省空間。
• AD5420：16位電流輸出DAC，能將各種輸入信號（如RTD、TC和歐姆信號）轉(zhuǎn)換為可擴展的4 - 20mA模擬輸出信號。

2. 電路功能與優(yōu)勢

該電路使用AD5700和AD5420構(gòu)建了一個完整的HART兼容4 - 20mA解決方案，適用于線供電變送器應用。電路符合HART物理層規(guī)范，如模擬變化率和靜默期間噪聲規(guī)范等。

二、電路詳細描述

1. 電路連接

AD5700的HART_OUT信號經(jīng)過衰減和交流耦合后輸入到AD5420的RSET引腳。若不使用外部RSET電阻，可參考應用筆記AN - 1065中通過CAP2引腳連接AD5420和AD5700的方法。本文介紹的方法雖需使用外部RSET電阻，但電源抑制性能更好。

2. 外部組件值的確定

• 電容C1和C2：可與AD5420的數(shù)字壓擺率控制功能配合使用，控制IOUT信號的壓擺率。在確定電容值時，要確保調(diào)制解調(diào)器的FSK輸出信號無失真?zhèn)鬏敚磶捯芡ㄟ^1200Hz和2200Hz頻率。
• 低通和高通濾波電路：由(R{H})、(C{L})、(C_{H})和C1以及AD5420的內(nèi)部電路組成。計算這些組件值時，低通和高通頻率截止點目標分別為>10kHz和<500Hz。
• 信號衰減：調(diào)制解調(diào)器輸出的FSK信號需衰減，以實現(xiàn)1mA峰 - 峰電流信號。假設調(diào)制解調(diào)器輸出幅度為500mV峰 - 峰，需通過(R{H})和(C{L})將其衰減3.33倍。

三、HART合規(guī)性測試

1. 靜默期間輸出噪聲

當HART設備不傳輸信號（靜默）時，不應在HART擴展頻段向網(wǎng)絡耦合噪聲。通過連接HCF_TOOL - 31濾波器和真有效值表測量500Ω負載上的電壓噪聲，AD5420輸出電流設置為4mA、12mA和20mA時，測量結(jié)果均符合要求。

2. 模擬變化率

該規(guī)范確保設備調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不干擾HART通信。通過編程AD5420輸出從4mA到20mA的循環(huán)波形，使用AD5420的外部電容和數(shù)字壓擺率控制功能可降低變化率，滿足HART規(guī)范要求。

四、瞬態(tài)電壓保護

工業(yè)控制環(huán)境中，I/O電路可能會受到高瞬態(tài)電壓影響。為保護AD5420，可使用外部功率二極管和浪涌電流限制電阻，還可使用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。同時，在許多過程控制應用中，需要在控制器和被控單元之間提供隔離屏障，可使用Analog Devices的iCoupler系列產(chǎn)品。

五、常見電路變體

• AD5422：類似于AD5420，但具有電壓輸出通道和電流輸出通道，適用于PLC/DCS類型應用。
• AD5755 - 1：適用于多通道需求，具有創(chuàng)新的片上動態(tài)功率控制功能，可最小化電流模式下的封裝功耗。
• AD5421和AD5700：可組合實現(xiàn)環(huán)路供電的4 - 20mA HART解決方案。

六、電路評估與測試

1. 所需設備

包括CN - 0270評估板、評估板軟件、J - Link OB仿真器、PC、10.8V至36V電源、數(shù)字測試濾波器、500Ω負載電阻和示波器等。

2. 測試內(nèi)容

進行靜默期間輸出噪聲測試和模擬變化率測試，通過設置AD5420的輸出電流和壓擺率設置，使用示波器測量輸出噪聲和波形，確保符合HART規(guī)范。

七、總結(jié)

基于AD5700和AD5420的4 - 20mA HART解決方案為工業(yè)過程控制提供了可靠的雙向數(shù)字通信能力。通過合理選擇外部組件和進行合規(guī)性測試，可確保電路滿足HART物理層規(guī)范。同時，多種電路變體可滿足不同應用需求。電子工程師在設計類似電路時，可參考本文內(nèi)容，根據(jù)實際需求進行調(diào)整和優(yōu)化。大家在實際應用中遇到過哪些相關(guān)問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。