HART兼容性 - ADI實驗室電路:完整的HART兼容型4mA至20mA解決方案

圖1中的電路要與HART兼容，必須符合HART物范。HART規(guī)范文檔中包含了眾多物理層規(guī)范。其要的兩個是靜默期間輸出噪聲和模擬變化率。

靜默期間輸出噪聲

當(dāng)HART設(shè)備沒有進行傳輸（靜默）時，不應(yīng)在HART擴展頻帶中將噪聲耦合到網(wǎng)絡(luò)上。噪聲過高可能會干擾設(shè)備本身或網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備對HART信號的接收。

對于在500Ω負載上測得的電壓噪聲，其包含的擴展頻帶中的寬帶噪聲和相關(guān)噪聲總和不能超過2.2 mV rms。此噪聲通過在500Ω負載上連接HCF_TOOL-31濾波器（可從HART通信基金會獲得）并將濾波器輸出連接到真均方根測量儀（參見圖6）來測量。也可使用示波器來檢查輸出波形峰峰值電壓。

AD5422 輸出電流設(shè)置為4 mA、12 mA和20mA。對于所有這三個輸出電流值，有帶通濾波器時的結(jié)果十分相似，不過電流輸出值增加時，寬帶寬噪聲也略有增加。在輸出電流為4 mA的情況下，使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時，測得的均方根值分別為143μV rms和1.4μV rms。這兩個值均在要求的2.2 mV rms（使用HART濾波器）和138 mVrms（不使用HART濾波器的寬帶噪聲）規(guī)范內(nèi)。在輸出電流為12 mA的情況下，使用和不使用HCF_TOOL-31帶通濾波器時，測得的均方根值分別為158μV rms和2.1μV rms，這兩個值同樣都在HART協(xié)議規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

圖6. HART規(guī)范測試電路

圖7和圖8分別顯示4 mA和12 mA輸出電流的示波器曲線圖。注意，濾波器的通帶增益為10。每個曲線圖上的通道1和通道2分別顯示濾波器的輸入和輸出。

圖7. 輸出電流為4 mA時HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲

圖8. 輸出電流為12 mA時HART濾波器輸入（通道1）和輸出（通道2）端的噪聲

模擬變化率

此規(guī)范可確保當(dāng)設(shè)備調(diào)節(jié)電流時，模擬電流的最大變化率不會干擾HART通信。電流的階躍變化會擾亂HART信號。仍然使用如圖6所示的相同測試電路。為進行這個測試，AD5422被編程為輸出一個4 mA至20 mA切換的周期波形，該波形在兩個值上都沒有延遲，以獲得最大變化率。為了符合HART規(guī)范，濾波器輸出端波形的峰值電壓不能大于150 mV。符合這一要求可確保模擬信號的最大帶寬處于規(guī)定的直流至25 Hz頻帶中。

AD5422輸出從4 mA變?yōu)?0 mA的正常時間約為10μs。這個速度顯然太快，而且會對HART網(wǎng)絡(luò)造成重大破壞。為了降低變化率，AD5422提供了兩種特性：一是在CAP1和CAP2引腳處連接電容，二是提供內(nèi)部線性數(shù)字壓擺率控制功能（詳情請參考AD5422數(shù)據(jù)手冊）。對于較快的壓擺率，可在與AD5422通信的控制器/FPGA上實施一個非線性數(shù)字斜坡發(fā)生器。

要使帶寬降低到25 Hz以下，需要在CAP1和CAP2引腳處連接非常大的電容值。最佳解決方案是結(jié)合使用外部電容和AD5422的數(shù)字壓擺率控制功能。兩個電容C1和C2的作用是降低模擬信號的變化率；不過還不足以滿足規(guī)范。使能壓擺率控制功能可以為變化率的設(shè)置提供靈活性。

圖9. AD5422輸出（通道1）和HART濾波器輸出（通道2），SR時鐘= 3，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC

圖9顯示了AD5422的輸出和HART濾波器的輸出。濾波器輸出端的峰值電壓為82 mV，處于規(guī)定范圍以內(nèi)。壓擺率設(shè)置為SR時鐘= 3和SR階躍= 2，從4 mA至20 mA的轉(zhuǎn)換時間設(shè)為約120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未連接。如果這個變化率太低，可以縮短壓擺時間。采用C1 = 4.7 nF且C2未連接的電路配置時，可以發(fā)現(xiàn)壓擺時間設(shè)為80 ms（SR時鐘= 1，SR階躍= 2）時，所得到的模擬變化率符合HART規(guī)范。然而，如果將壓擺時間進一步縮短至60 ms（SR時鐘= 0，SR階躍=2），則會導(dǎo)致結(jié)果超出150 mV規(guī)格范圍。從CAP1連接至AVDD的電容可用于抵消濾波器輸出端因壓擺時間過快而導(dǎo)致的峰值電壓增加。然而，選擇此值時必須小心，因為它會影響“確定外部元件值”部分討論的低通濾波器截止頻率。

圖10顯示了壓擺率控制設(shè)置改為SR時鐘= 5、SR階躍= 2且C1電容值保持4.7 nF不變的結(jié)果。這樣，轉(zhuǎn)換時間就會在240 ms左右。濾波器輸出端的峰值幅度可通過增加C1值、配置更慢的壓擺率或通過兩者的組合來進一步降低。

圖10. AD5422輸出（通道1）和HART濾波器輸出（通道2），SR時鐘= 5，SR階躍= 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NC