电路笔记CN-0270连接/参考器件AD5700, 低功耗HART®调制解调器AD5700-1 AD5420 16位4 mA至20 mA DACCircuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0270. 完整的4 mA至20 mA HART解决方案评估和设计支持 电路评估板 CN-0270评估板(EVAL-CN0270-EB1Z)包括USB-SWD/ UART-EMUZ设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单电路功能与优势图1所示电路使用AD5700(业界功耗最低、尺寸最小的HART1兼容型IC调制解调器)以及AD5420(一款16位电流输出DAC)，形成完整的HART兼容型4 mA至20 mA解决方案，这在环路供电变送器的应用中非常常见。为了进一步节省空间，AD5700-1提供了精度为0.5%的内部振荡器。10µF*NC*C20.1µF10kΩDVCCCAP2C14.7nFCAP110µF10.8V TO 36V0.1µF2.7V TO 5.5VAVDDFAULTREFINCLEARLATCHSCLKSDINUARTINTERFACESDODIGITALINTERFACEREFOUT0.1µFAD5420IOUT18Ω4mA TO 20mACURRENT LOOPRLRSET0.1µFGND15kΩVCCTXDRXDRTSCDREFHART_OUTRH27kΩCH8.2nFCL4.7nF1µF1.2MΩ300pF150kΩ150pF10564-001AD5700ADC_IPAGNDDGND1.2MΩ 图1. AD5420 HART电路简化原理图1HART®是HART通信基金会的注册商标。Rev. B Circuits from the Lab reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and veried in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2012–2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0270该电路符合由HART通信基金会定义的HART物理层规范，例如模拟变化率和静默期间噪声规格。多年来，过程控制仪器仪表中一直使用4 mA至20 mA通信。此通信方式稳定可靠，对长距离通信中的环境干扰具有高抗扰度。不过，其限制是每次只能进行一个过程变量的单向通信。可寻址远程传感器高速通道(HART)标准的开发实现了高性能的双向数字通信，同时支持传统仪器仪表设备所使用的4 mA至20 mA模拟信号。它衍生出各种特性，例如远程校准、故障查询和额外过程变量的传输。简言之，HART是一种数字双向通信系统，其在4 mA至20 mA模拟电流信号之上调制一个1 mA p-p频移键控(FSK)信号。DAC确定外部元件值C1和C2可配合器件的数字压摆率控制功能使用，以控制AD5420对应IOUT信号的压摆率。确定电容的绝对值时，要确保调制解调器的FSK输出无失真通过。因此，调制解调器输出信号的带宽必须通过1200 Hz和2200 Hz频率。图3显示了实现此要求的电路。在此情况下C2保持开路。C1C2CAP1CAP2AVDD40ΩBOOST4kΩ12.5kΩIOUTRL电路描述图1显示AD5420如何与AD5700 HART调制解调器和UART接口配合使用，以构建一个支持HART的4 mA至20 mA电流输出。这种电路在线路供电型现场变送器中非常流行，在此类电路中，多种输入信号(RTD、TC和欧姆)被转换成可调模拟4 mA至20 mA输出信号。从AD5700输出的HART_OUT信号经过衰减后，交流耦合至 AD5420的RSET引脚。如果未使用RSET外部电阻，连接AD5420和AD5700的替代方法请参见应用笔记AN-1065，其中，AD5700 HART调制解调器输出通过CAP2引脚耦合到AD5420。本电路笔记中所述的方法是需要使用外部RSET电阻，其电源抑制性能要高于应用笔记的替代解决方法。无论使用哪一种解决方案，AD5700 HART调制解调器输出均可在不影响电流直流成分的前提I (IOUT) /HART (V) (dB)RSETCLVHART10564-003CHRH 图3. AD5420/AD5410和AD5700 HART调制解调器连接低通和高通滤波器电路通过RH、CL、CH和C1的相互作用并配合AD5420的一些内部电路来形成。在计算这些元件的值时，低通和高通频率截止点目标分别为>10 kHz和<500 Hz。图4显示了仿真频率响应的曲线图，表1显示了增加各元件而剩余元件值保持恒定对频率响应的影响。–50–55–60–65–70–75–80–85–90–95–100–105下调制4 mA至20 mA模拟电流(如图2所示)。二极管保护电路(D1至D4)将在“瞬态电压保护”部分详细论述。\"1\" = MARK1.2kHz\"0\" = SPACE2.2kHzSTARTTXDSTOP1101001kFREQUENCY (Hz)10k100k10564-004–110 图4. 仿真频率响应HART_OUT10564-002表1. 个别元件值增加对频率响应的影响 8-BIT DATA +PARITY图2. AD5700/AD5700-1样片调制器波形元件fL (Hz) fH (kHz) G (dB) C1↓ ↓ ↓ CH↓ 无变化↑ CL↓ 无变化↓ RH↓ 无变化↓ Rev. B | Page 2 of 7 CN-0270调制解调器的输出是一个FSK信号，包括1200 Hz和2200 Hz移频。这个信号需要转换为一个1 mA峰峰值电流信号。为此，RSET引脚上的信号幅度必须衰减。这是因为AD5420有内部电流增益配置设计。假定调制解调器的输出幅度为500 mV峰峰值，则其输出必须经过500/150 = 3.33倍衰减。此衰减通过RH和CL来实现。本电路笔记中的测量使用以下元件值完成：• C1 = 4.7 nF• RH = 27 kΩ• CL = 4.7 nF• CH = 8.2 nFHART兼容性图1中的电路要与HART兼容，必须符合HART物理层规范。HART规范文档中包含了众多物理层规范。其中最重要的两个是静默期间输出噪声和模拟变化率。静默期间输出噪声当HART设备没有进行传输(静默)时，不应在HART扩展频带中将噪声耦合到网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上其它设备对HART信号的接收。对于在500 Ω负载上测得的电压噪声，其包含的扩展频带中的宽带噪声和相关噪声总和不能超过2.2 mV rms。此噪声通过在500 Ω负载上连接HCF_TOOL-31滤波器(可从HART通信基金会获得)并将滤波器输出连接到真均方根测量仪(参见图6)来测量。也可使用示波器来检查输出波形峰峰值电压。AD5420输出电流设为4 mA、12 mA和20 mA。测得噪声没有图5表明在500 Ω负载电阻上分别测得了1200 Hz和2200 Hz移频。通道1显示耦合至AD5420输出的调制HART信号(设为输出4 mA)，而通道2显示AD5700 TXD信号。MEASURECH1p-p512mVCH1NONE明显差异。使用和不使用HCF_TOOL-31带通滤波器时，测得的均方根值分别为115 µV rms和252 µV rms。这两个值均在要求的2.2 mV rms(使用HART滤波器)和138 mV rms(不使用HART滤波器的宽带噪声)规范内。CH1NONECH1NONE2CH1 200mVCH2 2.00VM500µs CH2 1.28V10564-006CH1NONE 图5. 在500 Ω负载上测得的FSK波形Rev. B | Page 3 of 7 CN-02702.7V TO 5.5V10µFC10.1µFCAP2CAP1AVDD10µF12V10kΩ0.1µFDVCCFAULTREFINCLEARLATCHSCLKSDINSDOREFOUT0.1µFAD5420IOUT 4mA TO 20mACURRENT LOOPRSET0.1µFGNDRL500ΩDIGITAL TEST FILTERHCF_TOOL-31OSCILLOSCOPE ORTRUE RMS METER15kΩVCCHART_OUT8.2nF4.7nFTXDRXDRTSCD36pF36pFXTAL13.6864MHzXTAL227kΩAD5700REF1µFADC_IP1.2MΩ300pF1.2MΩ150kΩ150pF10564-007AGNDDGND 图6. HART规范测试电路Rev. B | Page 4 of 7 CN-0270图7和图8分别显示4 mA和12 mA输出电流的示波器曲线图。注意，滤波器的通带增益为10。通道1和通道2分别显示滤波器的输入和输出。MEASURECH1p-p3.20mV1要使带宽降低到25 Hz以下，需要在CAP1和CAP2引脚处连接非常大的电容值。最佳解决方案是结合使用外部电容和AD5420的数字压摆率控制功能。两个电容C1和C2的作用是降低模拟信号的变化率；不过还不足以满足规范。使能压摆率控制功能可以为变化率的设置提供灵活性。MEASURECH1p-p7.40V1CH1NONECH2p-p7.20mV2CH1FREQ4.382Hz?CH2p-p160mVCH2MAX2.40mVCH2MIN–5.60mVCH1 20.0mVCH2 20.0mVM 50.0msAC LINE 0.00V210564-008CH2MAX80.0mVCH2MIN–80.0mVCH1 5.00VCH2 50.0mVM50.0msCH1 6.00V 10564-01010564-011图7. 输出电流为4 mA时HART滤波器输入(通道1)和输出(通道2)端的噪声MEASURECH1p-p2.40mV1 图9. AD5420输出(通道1)和HART滤波器输出(通道2)，SR CLOCK = 3，SR STEP = 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NCCH1NONE图9显示AD5420的输出和HART滤波器的输出。滤波器输出端的峰值电压为80 mV，处于规定范围以内。压摆率设置为SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，从4 mA至20 mA的转换时间设为约120 ms，C1 = 4.7 nF，C2未连接。如果这个变化率太低，可以缩短压摆时间。但这会使滤波器输出端的峰值电压增加。从CAP1连接至AVDD的电容可用于抵消此增加。图10显示了压摆率控制设置改为SR CLOCK = 5和SR STEP = 2，10564-009CH2p-p8.80mV2CH2MAX3.20mVCH2MIN–5.60mVCH1 20.0mVCH2 20.0mVM50.0ms AC LINE 0.00V同时C1电容值保持4.7 nF不变的结果。这样，转换时间就会 图8. 输出电流为12 mA时HART滤波器输入(通道1)和输出(通道2)端的噪声在240 ms左右。滤波器输出端的峰值幅度可通过增加C1值、配置更慢的压摆率或通过两者的组合来进一步降低。MEASURECH1p-p7.40V1模拟变化率此规范可确保当设备调节电流时，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。仍然使用如图6所示的相同测试电路。为进行这个测试，AD5420编程为输出一个4 mA至20 mA切换的周期波形，并且该波形在两个值上都没有延迟，以获得最大变化率。为了符合HART规范，滤波器输出端波形的峰值电压不能大于150 mV。符合这一要求可确保模拟信号的最大带宽处于规定的直流至25 Hz频带中。AD5420输出从4 mA变为20 mA的正常时间约为10 μs。这个速度显然太快，而且会对HART网络造成重大破坏。为了降低变化率，AD5420提供了两种特性：一是在CAP1和CAP2引脚处连接电容，二是提供数字压摆率控制功能(详情请参考AD5420数据手册)。CH1 5.00VCH2 50.0mVM50.0msCH1 6.80V2CH1FREQ2.252Hz?CH2p-p78.0mVCH2MAX38.0mVCH2MIN–40.0mV 图10. AD5420输出(通道1)和HART滤波器输出(通道2)，SR CLOCK = 5，SR STEP = 2，C1 = 4.7 nF，C2 = NCRev. B | Page 5 of 7 CN-0270瞬态电压保护AD5420内置ESD保护二极管，在一般工作条件下可防止器件受损。但是，工业控制环境会使I/O电路遭受高得多的瞬变。为了防止过高瞬态电压影响AD5420，可能需要外部功率二极管和浪涌电流限制电阻，如图1所示。对电阻值的约束条件(图1中显示为18 Ω)是，在正常工作期间，IOUT的输出电平必须保持在其电压限值(AVDD − 2.5 V)以内，并且这两个保护二极管和电阻必须具有适当的额定功率。在18 Ω下，对于4 mA至20 mA输出，引脚上的顺从电压限值会降低V = IMAX × R = 0.36 V。通过瞬态电压抑制器(TVS)或瞬态吸收器可实现进一步的保护。这些元件包括单向和双向抑制器，可提供各种各样的隔离和击穿电压额定值。TVS应尽量采用最低击穿电压定标，同时在电流输出的功能范围内不导通。建议保护所有远程连接节点。在许多过程控制应用中，需要在控制器与受控单元之间提供一个隔离栅，以保护和隔离控制电路遭受可能发生的任何危险的共模电压。ADI公司的iCoupler系列产品可隔离高于2.5 kV的电压。有关iCoupler产品的详情，请访问：www.analog.com/icouplers。为了减少所需隔离器的数量，CLEAR等非关键信号可以连到GND；FAULT和SDO可以不连接，从而只需要隔离三个信号。不过请注意，FAULT或SDO引脚是访问AD5420的故障检测功能所必需的。如果需要环路供电的4 mA至20 mA HART解决方案，可以组合AD5421和AD5700 HART调制解调器。该电路详见电路笔记CN-0267，并以评估板方式供货。电路笔记CN-0233包含有关提供电源和数据隔离的信息，所使用的是ADuM3471 PWM控制器和具有四通道隔离器的变压器驱动器。电路笔记CN-0278和电路笔记CN-0321都含有采用AD5422和AD5700的HART解决方案。这些器件拥有电压和电流输出能力。如果需要多个通道，可使用AD5755-1四通道电压和电流输出DAC。该产品具有创新型片内动态电源控制功能，在电流模式下，可以最大限度地降低封装功耗。各通道均有一个相应的CHART引脚，因此HART信号可以耦合到AD5755-1的电流输出端。电路评估与测试使用EVAL-CN0270-EB1Z电路板对电路进行测试。ADI J-Link OB仿真器(USB-SWD/UART-EMUZ)用于把评估板连接到运行评估软件的PC上。测试设置如图11所示。设备要求需要以下设备：• CN-0270评估板(EVAL-CN0270-EB1Z)• CN-0270评估板软件(p://p.analog.com/pub/cl/CN0270/)• EVAL-CN0270-EB1Z包含的J-Link OB仿真器 常见变化图1所示电路的一个常见变化是使用AD5422(LFCSP版本)，它类似于AD5420，但具有电压输出通道和电流输出通道，因而是PLC/DCS类应用的常见选择。电路笔记CN-0065提供有关IEC 61000兼容解决方案的额外信息，该解决方案适合使用AD5422和ADuM1401数字隔离器的全隔离式输出模块。(USB-SWD/UART-EMUZ)。• 运行Windows® XP或以上操作系统的PC，带USB端口• 电源电压：10.8 V至36 V• 数字测试滤波器(HCF_TOOL-31，可从HART通信基金会获得)• 负载电阻：500 Ω• 示波器，Tektronix DS1012B或等效器件 EVAL-CN0270-EB1ZPCP3CURRENTOUTP1USB-SWD/UART-EMUZJ-LINKRLTEST FILTER(OPTIONAL)TRUE RMS METEROROSCILLOSCOPEUSB10564-111–+DC POWER SUPPLY10.8VTO 36V 图11. 测试设置框图Rev. B | Page 6 of 7 CN-0270对于静默测试期间的输出噪声，如上所述，AD5700调制解调器不发射数据(静默)。AD5420设置为输出所需的电流并 通过HCF(HART通信基金会)带通滤波器。接着使用Tektronix TDS1012B示波器测量输出噪声。模拟变化率规范可确保当AD5420调节电流时，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。为进行这个测试，AD5420编程为输出一个4 mA至20 mA切换的周期波形，并且该波形在两个值上都没有延迟，以获得最大变化率。所用的压摆率设置为SR CLOCK = 3和SR STEP = 2，C1设置为4.7 nF，C2保持开路。同时完成另一个测量，将SR CLOCK设置改变为5而不是3，并保持所有其他设置和元件值不变，从而进一步降低压摆率。有关软件操作的详情，请参阅CN-0270软件用户指南。了解详情CN0270 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0270-DesignSupport Maurice Egan, Conguring the AD5420 for HART Communication Compliance, Application Note AN-1065, Analog Devices. HART Communication Foundation 数据手册和评估板AD5420 Data Sheet and Evaluation Board AD5700 Data Sheet and Evaluation Board AD5700-1 Data Sheet and Evaluation Board 修订历史2014年7月 — 修订版A至修订版B更改图1...............................................................................................1更改图6...............................................................................................4更改常见变化部分、电路评估部分、测试部分和图11..........62012年5月—修订版0至修订版A更改电路功能和优势部分..............................................................1更改电路描述部分...........................................................................2更改常见变化部分...........................................................................62012年4月—修订版0：初始版(Continued from rst page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab reference designs are supplied \"as is\" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or tness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab reference designs at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2012–2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN10564sc-0-7/14(B) Rev. B | Page 7 of 7
