靈活的帶寬4mA至20mA電流輸入具有輕松的HART兼容性

作者：Michal Brychta and Derrick Hartmann

4 mA至20 mA模擬電流環(huán)路常見于加工廠和工廠環(huán)境。雖然兩種環(huán)境中的基本信令相同，但帶寬要求卻大不相同。工廠控制系統(tǒng)可能需要位置和位移傳感器的環(huán)路帶寬為 100 Hz。另一方面，典型的過程控制系統(tǒng)只需要幾赫茲的更新速率，并且通常啟用HART。HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）協(xié)議允許在傳統(tǒng)的模擬 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路上進行雙向 1.2 kHz/2.2 kHz FSK（頻移鍵控）調(diào)制數(shù)字通信。設(shè)計滿足這兩種情況的4 mA至20 mA輸入可能具有挑戰(zhàn)性。本文概述了一種大大簡化此類設(shè)計的方法。

圖1中的電路圖顯示了實現(xiàn)HART模擬輸入的傳統(tǒng)方法。

圖1.帶無源濾波器的HART使能輸入。

R1和 R意義提供 250 Ω 的系統(tǒng)終端阻抗。HART FSK信號從那里交流耦合到HART調(diào)制解調(diào)器。4 mA 至 20 mA 模擬信號由精密 100 Ω R 轉(zhuǎn)換意義電阻至0.4 V至2 V電壓信號。然后，模擬低通濾波器從模擬信號中衰減HART FSK組件，然后再將其傳遞到ADC。二階低通模擬濾波器的帶寬為25 Hz，滾降為–40 dB/十倍頻程。

該電路符合HART規(guī)范，可將HART FSK信號衰減至低于4 mA至20 mA滿量程的–60 dB以上，確保HART FSK通信對4 mA至20 mA模擬輸入的干擾小于0.1%。

另一方面，該模擬低通濾波器在系統(tǒng)輸入滿量程步進后需要近70 ms才能在0.1%以內(nèi)建立。長建立時間和低帶寬不適用于需要快速操作且不需要HART通信的系統(tǒng)。模擬濾波器確實可以繞過，但這需要額外的模擬電路，例如開關(guān)或多路復(fù)用器。

圖2顯示了啟用HART的模擬輸入的另一種方法。

圖2.支持HART，靈活的帶寬輸入。

與前一個電路類似，HART FSK信號由250 Ω輸入阻抗交流耦合，4 mA至20 mA模擬信號由精密100 Ω R轉(zhuǎn)換。意義電阻至0.4 V至2 V電壓信號。然而，在該電路中，一個相當(dāng)輕的低通濾波器將信號帶寬限制在27 kHz左右，只是為了提供系統(tǒng)抗擾度和電磁兼容性（EMC）。在系統(tǒng)輸入端進行滿量程步進后，濾波器在40 μs內(nèi)建立至0.1%。

該信號通過內(nèi)置數(shù)字濾波器傳遞到∑?ADC，例如ADI公司的AD7173。數(shù)字濾波器可以編程為較慢的操作和最佳的HART FSK信號抑制，或者在需要快速模擬輸入功能時快速操作。

AD7173數(shù)字濾波器具有多種工作模式。適合抑制HART FSK信號的模式之一是陷波設(shè)置為400 Hz或子倍的sinc3濾波器，它在1.2 kHz的較低HART FSK頻率下提供深濾波器陷波，在2.2 kHz的較高頻率下提供顯著衰減。圖3中的圖表顯示了該數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)及其與圖1模擬濾波器的比較。

圖3.帶無源濾波器的HART使能輸入。

不幸的是，現(xiàn)實世界并沒有那么簡單。當(dāng)通過HART發(fā)送完整的消息時，HART FSK調(diào)制信號頻譜不僅包含基本調(diào)制頻率的能量，而且還包含介于1.2 kHz和2.2 kHz載波之間、低于和高于1.2 kHz的分量。

圖4顯示了ADC輸入端HART FSK消息的典型頻譜，以及被具有400 Hz陷波的sinc3濾波器衰減時的頻譜。在這種情況下，主站正在發(fā)送HART命令3，而從站正在響應(yīng)該命令。

圖4.哈特消息譜。

從這個圖中可以明顯看出，HART消息的一部分，特別是在較低頻率下，仍然可以存在于模數(shù)輸出數(shù)據(jù)中。也就是說，可以輕松更改數(shù)字濾波器設(shè)置，以在4 mA至20 mA輸入速度和HART FSK信號抑制之間設(shè)置適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

圖5顯示了系統(tǒng)性能，以相對于4 mA至20 mA滿量程的百分比誤差與模擬濾波器（如圖1所示）和sinc3數(shù)字濾波器（如圖2所示）的系統(tǒng)速度的關(guān)系。

圖5.Sinc3濾波器與模擬濾波器。

模擬濾波器固定在硬件中，并具有固定的建立時間。對于系統(tǒng)輸入端的快速變化模擬信號，模擬濾波器輸出誤差主要取決于其緩慢建立。例如，如果系統(tǒng)輸入每40 ms改變一次滿量程，則濾波器輸出的建立速度不會接近正確值的1%。對于慢速輸入信號，模擬濾波器輸出誤差主要取決于其抑制HART FSK信號的低頻分量的能力。對于典型的HART命令3消息，該誤差約為4 mA至20 mA滿量程的0.09%。

另一方面，數(shù)字sinc3濾波器的建立時間是用戶設(shè)置的參數(shù)，由HART FSK信號引起的濾波器輸出誤差與濾波器設(shè)置相對應(yīng)。例如，前面討論的具有400 Hz陷波的sinc3濾波器對應(yīng)于7.5 ms的建立時間，當(dāng)與HART命令3通信時，模數(shù)結(jié)果中測得的干擾小于4 mA至20 mA滿量程的0.4%。在具有四個模擬輸入的系統(tǒng)中，sinc3濾波器在通道之間按順序切換。具有 400 Hz 陷波的相同 sinc3 濾波器現(xiàn)在需要 4 × 7.5 = 30 ms 來掃描所有四個通道。這就是為什么該圖在30 ms時顯示4通道系統(tǒng)相同的~0.4%誤差。

對于更精確的4 mA至20 mA輸入，sinc3濾波器可以設(shè)置為30 ms建立，對應(yīng)于100 Hz陷波，并將HART信號抑制到滿量程的0.1%以下。如果系統(tǒng)中更重視速度，則建立時間為6 ms（~500 Hz陷波）的sinc3濾波器仍可抑制低于4 mA至20 mA滿量程0.5%的HART通信信號。如果速度是唯一要求且不需要HART通信，則本例中使用的AD7173可以采樣超過31 kSPS，每通道建立時間為161 μs。

總之，傳統(tǒng)的模擬低通濾波器更容易理解，而且，對于電路板上每個通道多幾個元件的價格，在某些情況下，在多通道系統(tǒng)中實現(xiàn)時可能會提供更好的模擬輸入性能。另一方面，集成在∑?ADC上的數(shù)字sinc3濾波器具有極大的靈活性，可以一直提供給終端系統(tǒng)用戶。數(shù)字解決方案需要較少的硬件，如果設(shè)置得當(dāng)，其在濾波HART FSK信號方面的性能明顯優(yōu)于單通道系統(tǒng)中的模擬解決方案，并且在多達(dá)4通道系統(tǒng)中具有可比性或更好。

審核編輯：郭婷