电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的智能工业环路供电现场仪器，提供 4 mA至20 mA模拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART®) 接口。HART是一种数字双向通信，可在4 mA至20 mA模拟 电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。它可实现众多功能，例如远程校准、故障查询和过程变量传 输；这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是必须的。

该电路已通过兼容性测试和验证，并通过了HART通信基 金会(HCF)的注册。这一成功注册可让电路设计人员极其 放心地使用电路中的一个或全部元件。

该电路使用了超低功耗精密模拟微控制器 ADuCM360、4mA 至20 mA 16位环路供电数模转换器(DAC) AD5421 ，以及业界 功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC调制解调器 AD5700

图1. 具有HART接口的4 mA至20 mA环路供电现场仪器(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

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Figure 1A. DEMO-AD5700D2Z Printed Circuit Board (Pressure Sensor Not Included)

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电路描述

模拟前端接口

ADuCM360模拟前端集成双通道、高性能、24位Σ-Δ型模 数转换器(ADC)。同时还集成了可编程增益仪表放大器、 精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器 以及其它许多特性。该器件允许直接与多个模拟传感器对 接，如压力传感器电桥、电阻式温度传感器、热电偶以及 工业用途的其它各类传感器。

图1表示连接主要桥式传感器与辅助电阻式温度传感器的 示例电路。而 ADuCM360具有灵活的前端，允许进行除此 之外的其它各种配置，满足各种类型的精密模拟传感器应 用要求。

ADuCM360的片内ADC0测量现场仪器的主传感器，在图1中 表示为桥式传感器。该传感器通过一个RC滤波器网络连接 至模拟输入引脚AIN0和AIN1，以便增强系统抵抗电磁干 扰的能力。共模滤波器带宽约为16 kHz，差模带宽为800 Hz。

ADuCM360 的VREF+和VREF−基准电压输入检测电桥的激 励电压并启动电路的比率工作模式，使测量独立于传感器 电源电压的确切值。若应用需要，则片内接地开关可动态 断开电桥的激励电压，降低功耗。

辅助传感器输入

本电路使用100Ω铂(Pt)电阻温度检测器(RTD)作为辅助传感 器。RTD能够检测主传感器的温度，因此，如果必要，可 对主传感器进行温度补偿。

ADuCM360可编程电流源通过AIN4引脚为RTD提供电流。 ADuCM360上的ADC1利用配置为差分输入的AIN3和AIN2 引脚，测量RTD的电压。利用精密电阻(RREF)，对流过 RTD的确切电流值进行检测，并使用ADC1的AIN7引脚测 得。ADC1使用片内带隙基准电压源。

所有现场仪器的数字功能均由 ADuCM36032位ARM Cortex™ M3 RISC处理器提供，该处理器集成128 k字节非易失性fiash/EE 存储器、8 k字节SRAM，以及一个支持有线(2× SPI、UART、 I²C)通信外设的11通道直接存储器访问(DMA)控制器。

演示软件可进行初始化和配置、处理来自模拟输入的数 据、控制模拟输出，并进行HART通信。

AD5421集成16位低功耗精密DAC，该DAC带4 mA至20 mA 环路供电输出驱动器，可提供现场仪器模拟输出所需的全 部功能。

AD5421通过SPI接口与 ADuCM360控制器通信。

AD5421还集成了一系列与4 mA至20 mA环路相关的诊断功 能。辅助ADC可通过连接至VLOOP引脚上的20 MΩ/1 MΩ电 阻分压器测量仪器环路端的电压。该ADC还可通过内部传 感器测量芯片温度。 ADuCM360 控制器可配置并读取 AD5421, 的全部诊断数据，但 AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和 AD5421之间的通信发生故障， AD5421 将在一段时间后自动设置其模拟输出为3.2 mA报警电流。 此报警电流将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

输出电流值的任何改变都受到软件的控制，以防对HART 通信产生干扰。(参见“模拟变化率”部分)。

HART通信

AD5700 集成完整的HART FSK调制解调器。该调制解调器 通过标准UART接口，伴随请求发送(RTS)和载波检测(CD) 信号实现与 ADuCM360控制器的连接。

HART输出通过0.068 μF/0.22 μF容性分压器调整至所需幅 度，并耦合至 AD5421的CIN引脚，然后与DAC输出一同驱 动和调制输出电流。

被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤 波器输入到 AD5700的ADC_IP引脚。RC滤波器作为第一 级，用作HART解调器的带通滤波器，同时增强系统抵抗 电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的 应用而言非常重要。

AD5700低功耗振荡器采用与XTAL1和XTAL2引脚直接相连 的3.8664 MHz外部晶振，产生HART调制解调器的时钟。

瞬变电压抑制器(TVS)保护4 mA至20 mA HART接口免受过 压影响。其额定电压不应超过 AD5421 在REGIN引脚上的60 V 绝对最大电压。请注意，TVS泄漏电流可能会影响电流输 出精度；因此，选用此器件时，需关注一定环路电压和温 度范围下的泄漏电流。

可使用外部耗尽型FET与 AD5421 搭配工作，提高环路电压 最大值。

本电路具有保护功能，通过与环路输出相串联的一对二极 管保护电路免受极性反转的影响。

铁氧体磁珠与环路串联，该串联部分与4700 pF电容一同提 升系统的EMC性能。由于HART网络的规格限制，请勿在 环路端点处使用更高数值的电容。

4.7 V低泄露齐纳二极管保护 AD5421 的片内50 Ω环路检测电 阻免受 AD5421的COM引脚和LOOP−引脚间意料之外的外 部电压影响(例如，对 ADuCM360 编程或调试电路时)。

电源和电源管理

包括传感器驱动电流在内的完整现场仪器电路必须工作在 4 mA至20 mA环路提供的限量电源下。这对所有环路供电 现场仪器设计而言，都是一个普遍的难题。图1中的电路 提供了低功耗以及高性能解决方案的一个实例。应用中用 到的全部三个集成电路均针对低功耗而设计，并且电路依 靠各自的集成特性提供灵活的电源管理结构和性能最优的 环路供电解决方案。

AD5421采用4 mA至20 mA环路电压供电，为电路的其余部 分提供经过调节的低电压。依据电路的需求， AD5421 REGOUT 电压可以编程在1.8 V至12 V范围内。图1中的电路采 用3.3 V电源电压选项，作为所用输入传感器的一个实例。 然而，由于 ADuCM360和 AD5700 具有更宽的电源电压范 围，因此可采用不同的电源电压，以满足应用要求。

REGOUT RC滤波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止传感器模拟 前端受到来自环路的任何干扰的影响。它还能防止电路产 生的任何干扰(尤其是控制器和数字电路产生的干扰)回流 耦合至环路，这对于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700HART调制解调器通过一个额外的RC滤波器供电 (470 Ω/1 μF)。该滤波器在环路供电应用中的作用非常重 要，因为它可防止 AD5700的电流噪声与4 mA至20 mA环路 输出进行耦合；若非如此，将影响HART通信。在静默测 试期间，特地通过HART带内噪声解决4 mA至20 mA环路噪 声性能问题。 AD5700调制解调器使用外部晶振，通过将 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF电容接地，在可达到的功耗范围 中选择最低值。

ADuCM360具有极为灵活的内部电源管理功能，提供所有 内部模块的许多供电和时钟选项，并且当软件调用时，允 许针对特定的仪器应用，在要求的功能、性能和功耗之间 取得最佳平衡。请参考 ADuCM360 产品页面和 AN-1111应 用指南。

模拟前端AVDD通过另一个滤波器(10 μF/铁氧体磁珠/1.6 Ω/ 10 μF)供电，以便最大程度针对低压传感器信号减少电源噪 声，获得更佳性能。

ADuCM360 的GND_SW接地开关引脚控制主传感器的激励 和电源。仪器上电时，开关默认为关闭。这一默认设定允 许在开启传感器之前对系统进行全面配置，包括适当的电 源模式，从而最大程度降低4 mA至20 mA环路输出上可能 存在的任何上电尖峰。

类似地，辅助传感器采用 ADuCM360的可编程电流源供 电，因此可通过软件完全控制其电源输入。

ADuCM360 软件

可在 CN-0267 设计支持包中找到演示本电路功能和性能的 基本代码示例。

代码示例包括基本HART从机命令响应，用于演示硬件的 功能和特性。代码示例不包括HART通信的协议层。

常见变化

ADuCM360具有一个高性能且非常灵活的模拟前端，提供 12个模拟输入引脚以及供基准电压源和接地开关使用的额 外引脚。它允许与多个各类模拟传感器直接接口，比如任 意的阻性桥式传感器、电阻式温度传感器或热电偶。由于 可用于几乎所有的传感器现场仪器，这款现场仪器解决方 案并不局限于温度补偿型压力测量。

在模拟前端只需一个Σ-Δ型ADC的应用中，可使用 ADuCM361替换 ADuCM360。除了备用ADC， ADuCM361提供 ADuCM360的所有特性。

ADuCM361 片内DAC和外部晶体管可用于控制4 mA至20 mA 环路，详情请参见CN-0300。

AD5421可通过保护电路直接与环路相连。也可在AD5421 和环路电源之间连接一个耗尽型N沟道MOSFET，如图2所 示。由于在本配置中使用额外MOSFET，因此可将AD5421 上的电压降保持在12 V左右，降低 AD5421封装的功耗，并 增加4 mA至20 mA模拟输出精度。它还可将环路允许的最 大电压提升至MOSFET的额定电平值。额外的MOSFET对 HART通信无影响。

图2. MOSEFT连接至AD5421环路电源

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本电路中， AD5700与3.8664 MHz晶振共同使用，形成具有 最低功耗的配置。作为替代方案， AD5700-1可配合0.5 %精 度的集成式内部振荡器使用。与晶体振荡器相比，内部振 荡器最多可提升225 μA调制解调器电源电流，但因为无需使 用外部晶体，因此该方案同时节省了成本，降低了所需的 电路板面积。

对于非环路供电的应用，则 AD5410, AD5420, AD5422或AD5755 是针对4 mA至20 mA DAC不错的选择。

电路评估与测试

电路硬件

图1中的电路基于图3中的 DEMO-AD5700D2Z 印刷电路板 构建。

图3. DEMO-AD5700D2Z印刷电路板

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DEMO-AD5700D2Z电路板具有一些额外的特性，方便进 行系统评估。连接器具有0.1英寸的引脚间距，允许使用可 选的主级和次级传感器连接。HART兼容性测试可能需要 用到HART RTS和DC信号的测试点。

DEMO-AD5700D2Z 边沿上的连接器使 ADuCM360 信号线 和UART下载/调试信号可被访问，让软件开发、代码下载 和在线调试与仿真更为便捷。连接器带有小型的连接头扩 展器(随 DEMO-AD5700D2Z板一同提供)，兼容ADI的所有 基于Cortex-M3的开发工具，例如 EVAL-ADuCM360QSPZ评估套件(该评估套件不随 DEMO-AD5700D2Z板提供)。

图1的简化框图中未显示这些特性；然而，可在CN-0267设 计支持包中的完整电路图上看到它们。设计支持包还包括 完整的现场仪器C语言代码示例，可用来对全部硬件模块 和电路特性进行完整的验证与评估，并对HARt接口的功能 性提供一定程度的验证。有关HART接口规格和资源的详 细信息，请联系HART通信基金会。

HART兼容性 DEMO-AD5700D2Z已通过HART FSK物理层规范(HCF_SPEC- 054，修订版8.1)的兼容性验证，该验证采用HART物理层 测试规范(HCF_TEST-2，修订版2.2)中的方法和设备。本 电路板已提交HART通信基金会，并成功注册。

可在HART通信基金会(HFC)网站上找到该注册电路，产品 目录为： DEMO-AD5700D2Z.

涉及的两项测试为：静默期间的输出噪声和模拟变化率。

当HART设备没有进行传输(静默)时，噪声不应耦合至网络 上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上的其它设备对 HART信号的接收。

对于在环路中的500 Ω负载上测得的电压噪声，其包含的宽带 噪声和HART扩展频带中的相关噪声总和不能超过2.2 mV rms。 此外，HART扩展频带外的噪声不应超过138 mV rms。

500 Ω负载上的噪声采用真均方根测量仪测得。此噪声作为 带外噪声直接进行测量，作为带内噪声通过HCF_TOOL-31 滤波器测量。也可使用示波器来检查噪声波形。

在最差情况下进行噪声测量，即4 mA输出电流。图4显示捕 获的噪声波形，结果总结在表1中。

图4. 静默波形下的输出噪声

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表1. 静默时的输出噪声
 

模拟变化率测试 这一技术规范可确保当设备调节模拟输出电流时，模拟电 流的最大变化率不会干扰HART通信。电流的阶跃变化会 扰乱HART信号传输。

最差情况下的模拟输出电流变化一定不能产生高于15 mV峰 值电压的干扰，此数值在HART扩展频带下，通过对500 Ω 负载进行测量得到。

AD5421DAC和输出驱动器相对较快。因此，为了满足所需 的系统规格，可将 AD5421的硬件压摆率限制与 ADuCM360软件中的数字滤波器相结合，控制输出电流的变化。.

通过与 AD5421的 CIN引脚相连的电容，设置硬件压摆率限 制。当模拟输出电流值需要改变较大的步进时， ADuCM360软件将发送到 AD5421 DAC的输出电流变化分割 成数个较小的步进。

使用一个示波器执行该测试，并通过HCF_TOOL-31滤波 器耦合至500 Ω负载。

结果如图5所示。波形CH1显示4 mA和20 mA之间的周期性 步进，直接在500 Ω负载上测得。波形CH2是HCF_TOOL-31 滤波器输出端捕获的信号，将其放大10倍，并处于150 mV 峰值限制之内。

图5. 模拟变化率波形

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电路功耗 使用两种方法来评估电路的功耗性能

在第一种方法中，测量来自AD5421集成式电压调节器的输 出电流。

考虑到最小模拟输出电流为4 mA，并且HART输出直流调制 峰值为0.5 mA，则电路在正常工作模式下消耗的最大电流必 须低于3.5 mA。 AD5421 自身工作需消耗0.3 mA的最大电流， 因此留给 AD5421 REGOUT输出的最大电流约为3.2 mA。

为了便于进行在线测量， DEMO-AD5700D2Z 在10 Ω电阻两 侧的REGOUT输出滤波器中均有测试点(T5，T6)，如图6所 示。此设置允许对电阻上的压降进行测量，并对电流进行 计算，而无需打断电源电流或干扰电路。

图6. 使用测试点测量AD5421 REGOUT电流

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结果显示在表2中，测量条件如下：

电路及所有相关模拟和数字模块(包括输入传感器)的功耗 在环路电流最小值为4 mA时，许可的预算之内。

表2. AD5421的电源电流 AD5421, REGOUT = 3.3V 
 

在评估电路功耗的第二种方法中，电路经验证正常工作， 执行HART通信任务时的模拟输出电流设置为4 mA最小值。 结果显示电路提供4 mA电流，且HART输出信号不失真。

ADuCM360片内集成大部分模拟前端，因此模拟输入的性 能主要由 ADuCM360的规格决定。

噪声电平是受模拟前端与板上其余电路部分交互干扰的主 要因素。因此，测试主要针对噪声以及相关的系统分辨率 性能。

该演示配置为从主模拟输入通过HART通信发送数据，数 值以压力表示，单位为kPa。捕获100个样本，完成基本数 据分析以便量化性能。两项测试包括：

图7. 由一组电阻生成的主输入信号

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性能总结见表3，图8和图9显示信号曲线图。

表3. 主传感器输入噪声和分辨率
 

图8. 压力传感器输入信号曲线图

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图9. 阻性网络作为主输入信号的曲线图

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辅助传感器输入性能 与主传感器类似，辅助传感器输入的性能主要由 ADuCM360的模拟前端决定(噪声性能除外)。

模拟输入配置为通过HART通信路径向主机发送温度数据 (以°C表示)。对100个样本执行两项测试，以便进行性能的 量化分析。

第一项测试采用板载100 Ω铂电阻传感器进行，第二项测试 则采用标准(固定)100 Ω ± 1%电阻代替板载传感器进行。

性能总结见表4，图10和图11显示信号曲线图。

表4. 辅助传感器输入噪声性能
 

图11. 固定100 Ω ± 1%电阻用作辅助输入的信号曲线图

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图10. RTD(100 Ω铂电阻)传感器输入信号曲线图