如何设计一款低成本HART发送器
2012-12-21
作者：Thomas Kugelstadt，德州仪器 (TI) 应用经理
利用可寻址远程传感器数据通路(HART) 协议，过程测量与控制器件可通过传统4-20mA电流环路实现通信。这种协议使用1200 Hz和2200 Hz频率的移频键控(FSK)。此处，一个1200Hz 周期代表一个逻辑1，而两个2200Hz 周期代表逻辑0。由于FSK 波形的平均值始终为0，因此模拟4-20mA 信号不受影响。
理想情况下，FSK 信号由叠加在DC 测量信号上的两个频率正弦波组成。但是，相连续FSK 正弦波的生成是一种十分复杂的过程。因此，为了简化HART 信号波形的生成过程，HART 规范的物理层对参数极限值进行了定义，标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。在这种情况下，一种梯形波形非常适合于这种应用，图1 显示了其各个极限值。
图1 梯形HART电流波形的最小与最大值
图2 所示HART 发送器提供了一种简单且低成本的解决方案，其产生一个梯形HART 波形，并将它叠加在一个可变DC 电平上，最终把产生的输出电压转换为电流环路。
图2 低成本HART 发送器
HART FSK 信号（常常由本地微控制器单元[MCU] 生成），被应用于首个NAND 栅极(G1) 的输入端。MCU 的通用I/O 端口的第二个输出，起到一个有效高态“激活”（ENABLE）信号的作用。G1 控制两个远端NAND 栅极（G2和G3），其输出通过高阻抗分压器R1 和R2 连接到一起。
由R4 和R5 组成的第二个分压器，将5V 电源分为一个VREF = VCC/2 的基准电压，即2.5V。只要“激活”为低电平，G2 的输出便为低态，而G3 输出为高态。由于高阻抗负载，NAND 输出拥有轨到轨功能；R1=R2 时，A1 非反向输入VIN 的输入电压也为2.5V。
当“激活”为高态时，G2 和G3 输出相互换相，从而在VIN 下形成一个小方波，其围绕VREF 对称摆动。VIN 的峰值到峰值振幅为：
VS 为正5V 电源，而R1|| R2 为R1 和R2 的并联组合。
把图2 的电阻值插入方程式得到VIN（PP）=200Mv 的输入电压摆动，其让VIN摆动位于2.4V和2.6V之间。当VIN 升至2.6V 时，A1 的输出立即达到正饱和状态，并通过R6 和R7 对C3 充电。C3 (VHART) 的实际HART 电压线性上升，直到达到2.6V 为止。这时，放大器A1 迅速退出饱和状态，并起到一个电压跟随器的作用，从而将VHART 保持在2.6V。当VIN 下降至2.4V 时，A1输出进入负饱和状态，并通过R6 和R7 对C3 放电。之后，VHART 线性下降，直到其达到2.4V 为止。这时，A1 退出饱和状态，并再次起到一个电压跟随器的作用，将VHART 保持在2.4V。
由此产生的梯形波形在振幅方面与VIN 相等，并且围绕VREF 做对称摆动。它的转换速率计算方法如下：
其中，VSAT 为A1 的正或负输出饱和电压。
由于VHART 的AC 电流比VSAT 小，因此VHART 可以由其静态电平VREF 得到近似值。另外，A1 轨到轨输出能力结合R6 负载高阻抗，可得到5V 和0V 的输出饱和电平。假设R7 远小于R6，则前面表达式可简化为：
如果我们把图2 的R6 和C3 组件值插入方程式，则梯形波形的转换速率结果为±1.25 V/ms。
把VHART (200Mv) 的峰值到峰值振幅调节为1mA HART 峰值到峰值电流信号，让1.25V/ms 电压转换速率相当于HART 电流信号中6.25 mA/ms 的电流转换速率，从而完全位于图1 所示极限值范围以内。
要求使用R7 来将A1 输出隔离于大电容负载C3，目的是维持闭环稳定性。具体要求值取决于A1 的单位增益带宽fT 以及R6 和C3 的值。R7 的有效近似值计算方法如下：
A1 必须具有相当宽的频率响应，并且其转换速率要明显快于HART梯形波形。OPA2374 是TI 一种低成本的双运算放大器，其拥有5 V/µs 的高转换速率和fT = 6.5 MHz 的单位增益带宽。另外，放大器输出具有轨到轨驱动能力，其典型静态电流为每个放大器585 µA。
第二个放大器A2 把HART 信号叠加于可变DC 电压VDC 上。A2 输出电压VOUT 变为：
使R8 到R11 值相等，可将上面方程式简化为：
由于VHART 由一个200Mv 梯形波形（围绕 VREF 对称摆动）组成，因此A2输出仅包含叠加在可变DC 电平上的小HART波形。将VOUT送入TI的XTR115电压到电流转换器，可使每个200mV VDC 相当于1Ma 电流。因此，把 VDC从0.8V 变为4.0V，相当于一个4-20Ma 电流范围。
电阻器R8 到R11 值应足够大，以最小化对C3 充电电流的负载影响，但是又不能太大，以免A2 输入偏差电流引起误差。适当的电阻值可将VREF 从VOUT 完全消除，这样VOUT = VDC ± 100 mV。因此，R4 和R5 取值不当，或者电压电源存在差异，都不会对VOUT 的DC 电流产生太大影响。
XTR115 是一种双线、精密、电流输出转换器，其通过一个工业标准电流环路发送模拟4-20mA 信号。这种器件拥有精确的电流调节和输出电流限制功能。它的片上5V电压调节器用于为外部电路供电。为了确保对输出电流IOUT的控制，电流返回引脚IRET起到一个本地接地的作用，并对外部电路中使用的所有电流进行检测。它的输入级拥有100 的电流增益，其由两个激光修整增益电阻器RG1 和RG2 设置：
因此，输入电流IIN 产生输出电流IOUT，其等于IIN × 100。IIN 的电势为0（参考IRET）时，把输入电压转换为规定输出电流所要求的电阻器值为：
因此，将200mVPP HART电压转换为1mA电流，要求输入电阻为：
另外，RIN对4-20mA电流范围的输入电压范围定义如下：
以及：
图3 HART 发送器信号通路的信号电压
结论
简单运算放大器电路可用于为传统4-20mA 电流环路设计一个低成本的 HART 发送器。
图3 显示了2V DC 输入时HART 传输期间不同测试点的信号电压。匹配差分放大器A2 的电阻器，移除了输出信号的VREF 分量。因此，基准电压偏差对VOUT 没有影响。这样，输出信号便围绕2V DC 输入做对称摆动。
参考资料
1、《HART介绍》（在线版），模拟服务公司（1999年8月9日），地址：www.analogservices.com/about_part0.htm
2、《工业自动化解决方案：传感器与现场发送器》，德州仪器公司（2012年3月9日）
3、《运算放大器性能优化》，作者Jerald G. Graeme，发表于1996年12月1日第一版《纽约：McGraw-Hill专业版》。
相关网站
接口技术：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/interface.page
OPA2374：www.ti.com.cn/product/cn/OPA2374