使用HART兼容性簡化模擬電流環(huán)路設計

在工廠環(huán)境中，4mA至20mA模擬電流環(huán)路很常見。雖然各種應用中的基本信號調(diào)制均相同，但帶寬要求卻有很大的不同。工廠控制系統(tǒng)可能需要幾百Hz環(huán)路帶寬(來自位置和位移傳感器)，而典型的過程控制系統(tǒng)僅需幾Hz更新速率，且一般都支持HART(可尋址遠程傳感器高速通道)。HART協(xié)議允許在傳統(tǒng)的模擬4mA至20mA電流環(huán)路內(nèi)實現(xiàn)雙向1.2/2.2 kHz FSK(頻移鍵控)調(diào)制數(shù)字通信。設計同時滿足兩種情況的4mA至20mA輸入可能會有一定難度。圖1中的電路圖是一個支持HART的模擬輸入的傳統(tǒng)部署方法。

圖中，R1和RSENSE組成一個250Ω系統(tǒng)端接阻抗。HART FSK信號從該處到HART調(diào)制解調(diào)器為交流耦合。通過精密100Ω的RSENSE電阻，將4mA至20mA模擬信號轉(zhuǎn)換為0.4V至2V信號。然后，模擬低通濾波器衰減模擬信號中的HART FSK成分，接著將其輸入ADC。二階低通模擬濾波器帶寬為25Hz，滾降為-40dB/十倍頻程。該電路符合HART規(guī)范，可將HART FSK信號衰減至4mA至20mA滿量程以下超過-60dB電平，確保HART FSK通信輸入擾動不超過0.1%。

另一方面，該模擬低通濾波器在系統(tǒng)輸入端的滿量程跳變之后，建立至0.1%以內(nèi)需大約70ms。這種較長的建立時間和低帶寬性能不適合要求高速工作且不需要HART通信的系統(tǒng)。確實可以旁路模擬濾波器，但需要額外的模擬電路，比如開關或多路復用器。圖2顯示了支持HART的模擬輸入的替代方案。

與上一個電路類似，HART FSK信號交流耦合至250Ω輸入阻抗，而4mA至20mA信號通過100Ω的精密RSENSE電阻轉(zhuǎn)換為0.4V至2V信號。然而本電路中，一個輕度的低通濾波器將信號帶寬限制為27kHz左右，以便為系統(tǒng)提供免疫性和電磁兼容性(EMC)。系統(tǒng)輸入端滿量程跳變后，濾波器在40μs時間內(nèi)建立至0.1%。

信號會被傳遞到帶有內(nèi)置數(shù)字濾波器的Σ-Δ型ADC，比如 ADI公司的AD7173。數(shù)字濾波器可編程設置為較慢的工作速度模式和最優(yōu)HART FSK信號抑制模式，或者在要求快速模擬輸入時設置為快速工作模式。

AD7173支持多種工作模式。其中一種模式適合用來抑制HART FSK信號，將SINC3濾波器的陷波頻率設為400Hz，或者可在較低HART FSK頻率(1.2kHz)時提供深濾波器陷波并可在較高頻率(2.2kHz)時提供大幅衰減的分數(shù)頻率。圖3中的曲線顯示該數(shù)字濾波器的頻率響應，及其與圖1中模擬濾波器的比較。

不幸的是，真實情況遠沒有那么簡單。當一條完整的消息經(jīng)過HART發(fā)送后，HART FSK調(diào)制信號頻譜不僅在基頻調(diào)制頻率處包含電能，且在1.2kHz與2.2kHz載波之間、下方和上方包含頻率分量。圖4顯示了HART FSK消息在ADC輸入端的典型頻譜，以及通過SINC3濾波器以400Hz陷波衰減時的頻譜。本例中，主機發(fā)送HART命令3，從機響應該命令。

由圖4可以看出，HART消息的一部分(尤其在較低頻率處)依然可以出現(xiàn)在A/D輸出數(shù)據(jù)中。也就是說，可以輕松更改數(shù)字濾波器設置，以便實現(xiàn)HART FSK采樣輸入速度和抑制之間的正確平衡。圖5顯示了系統(tǒng)性能，其測量值在4mA至20mA滿量程范圍內(nèi)以百分比誤差表示，同時比較模擬濾波器(圖1)和SINC3數(shù)字濾波器(圖2)的系統(tǒng)速度。

模擬濾波器在硬件中固定，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而言，模擬濾波器輸出誤差由其較慢的建立時間決定。例如，如果系統(tǒng)輸入每40ms改變滿量程，則濾波器輸出不會建立至正確值1%以內(nèi)。對于較慢的輸入信號而言，模擬濾波器輸出誤差由其抑制HART FSK信號低頻分量的能力決定。對于典型HART命令3消息而言，該誤差測量值約為4mA至20mA滿量程的0.09%。

此外，數(shù)字SINC3濾波器的建立時間是一個用戶設置的參數(shù)，濾波器輸出誤差是由于HART FSK調(diào)制對應的濾波器設置決定的。例如，400 Hz陷波的SINC3濾波器對應7.5ms建立時間，當傳輸HART命令3時，A/D上測得的擾動不足4mA至20mA滿量程的0.4%。在具有四個模擬輸入的系統(tǒng)中，SINC3濾波器在通道之間順序切換。同樣的400Hz陷波SIN3濾波器現(xiàn)在需要4×7.5= 30ms才能掃描全部四個通道。這便是四通道系統(tǒng)的曲線在30ms處均顯示出約為0.4%誤差的原因。

對于更精確的4mA至20mA輸入而言，SINC3濾波器可設為30ms建立時間，該設置對應100Hz陷波且將HART信號抑制在不足滿量程的0.1%。如果速度更為重要，則6ms建立時間(約500Hz陷波)的SINC3濾波器依然可以將HART通信信號抑制在4mA至20mA輸入的0.5%以下。此外，如果只要求速度且無需進行HART通信，則前文提及的AD7173能夠以每通道161μs的建立時間達到3 ksps的采樣速率。

傳統(tǒng)的模擬低通濾波器較容易理解，而某些情況下，每通道略為增加幾個元器件可在多通道系統(tǒng)中實現(xiàn)較好的模擬輸入性能。另一方面，Σ-Δ型ADC的集成數(shù)字SINC濾波器具有極大的靈活性，而這種靈活性是一路直到終端系統(tǒng)用戶都可提供的。數(shù)字解決方案所需硬件較少，并且若設置得當，則其在HART FSK信號濾波性能方面優(yōu)于單通道系統(tǒng)中的模擬解決方案，而與最多四通道的系統(tǒng)相比具有接近或更佳的性能。