不同的應(yīng)用需要不同的模擬輸入。支持 HART 的技術(shù)簡化了設(shè)計過程。

在加工廠或工廠環(huán)境中看到 4 m Ato 20 mA 模擬電流回路并不少見。雖然這些不同應(yīng)用中的基本信令相同，但帶寬要求卻大不相同。工廠控制系統(tǒng)可能需要來自位置和位移傳感器的 100 赫茲的環(huán)路帶寬，而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（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）。HART 協(xié)議允許通過傳統(tǒng)的模擬 4 mA 至 20 mA 電流環(huán)路進(jìn)行雙向 1.2/2.2 kHz FSK（頻移鍵控）調(diào)制數(shù)字通信。設(shè)計同時滿足這兩種情況的 4 m A 至 20 mA 輸入可能具有挑戰(zhàn)性。圖 1 中的電路圖顯示了實(shí)現(xiàn)支持 HART 的模擬輸入的傳統(tǒng)方法。

圖 1：帶無源濾波器的 HART 啟用輸入。

在圖中，R 1和 R SENSE提供 250 Wohm 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 WR SENSE電阻轉(zhuǎn)換為 0.4 V 至 2 V 信號。然后，模擬低通濾波器從模擬信號中衰減 HART FSK 分量，然后再將其傳遞給 A/D 轉(zhuǎn)換器。二階低通模擬濾波器具有 25 Hz 的帶寬和 -40 dB/十倍頻程滾降。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 以上水平，確保 HART FSK 通信對輸入的干擾小于 0.1%。

另一方面，該模擬低通濾波器在系統(tǒng)輸入的滿量程步進(jìn)后需要將近 70 毫秒才能穩(wěn)定在 0.1% 以內(nèi)。長穩(wěn)定時間和低帶寬不適用于需要快速運(yùn)行且不需要 HART 通信的系統(tǒng)。模擬濾波器確實(shí)可以被繞過，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 的靈活帶寬輸入。

與前面的電路類似，HART FSK 信號從 250 Ω 輸入阻抗交流耦合，4 mA 至 20 mA 信號由精密 100 WR SENSE電阻轉(zhuǎn)換為 0.4 V 至 2 V 信號。然而，在這個電路中，一個相當(dāng)輕的低通濾波器將信號的帶寬限制在 27 kHz 左右，以提供系統(tǒng)抗擾度和電磁兼容性 （EMC）。在系統(tǒng)輸入的滿量程階躍后，濾波器在 40 μs 內(nèi)穩(wěn)定到 0.1%。

該信號被傳遞到具有內(nèi)置數(shù)字濾波器的 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器，例如 Analog Devices 的 AD7173。可以對數(shù)字濾波器進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)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進(jìn)行快速操作。

AD7173 有多種工作模式。適用于抑制 HART FSK 信號的一種模式是 SINC3 濾波器，其陷波設(shè)置為 400 Hz 或約數(shù)，它在較低的 HART FSK 頻率 （1.2 kHz） 提供深濾波器陷波，并在較高的頻率 （2.2千赫）。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 中的模擬濾波器的比較。

圖 3：具有無源濾波器的啟用 HART 的輸入。

不幸的是，現(xiàn)實(shí)世界并不是那么簡單。當(dāng)通過 HART 發(fā)送完整消息時，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、以下和以上的分量。圖 4 顯示了 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入上的 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，主機(jī)正在發(fā)送 HART 命令 3，而從機(jī)正在響應(yīng)該命令。

圖 4： HART 消息頻譜。

從圖 4 可以明顯看出，HART 消息的一部分，尤其是在較低頻率下，仍然可以出現(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(shè)置，以在輸入速度和 HART FSK 信號抑制之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻D 5 顯示了系統(tǒng)性能，測量為相對于 4 mA 至 20 mA 滿量程的百分比誤差，以及模擬濾波器（圖 1）和 SINC3 數(shù)字濾波器（圖 2）的系統(tǒng)速度。

圖 5： SINC3 濾波器與模擬濾波器的對比。

模擬濾波器在硬件中是固定的，并且具有固定的建立時間。對于系統(tǒng)輸入上快速變化的模擬信號，模擬濾波器輸出誤差主要由其緩慢穩(wěn)定決定。例如，如果系統(tǒng)輸入每 40 ms 改變一次滿量程，則濾波器輸出的穩(wěn)定值不會低于正確值的 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 信號低頻分量的能力。對于典型的 HART 命令 3 消息，此誤差約為 4 mA 至 20 mA 滿量程的 0.09%。

或者，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，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)傳送 HART 命令 3 時，A/D 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 濾波器在通道之間順序切換。具有 400 Hz 陷波的相同 SIN3 濾波器現(xiàn)在需要 4 x 7.5 = 30 ms 來掃描所有四個通道。這就是四通道系統(tǒng)在 30 毫秒時顯示相同的 ~0.4% 誤差的原因。

對于更精確的 4 mA 至 20 mA 輸入，SINC3 濾波器可設(shè)置為 30 ms 建立時間，這對應(yīng)于 100 Hz 陷波，它將 HART 信號抑制到小于滿量程的 0.1%。如果速度更重要，具有 6 ms 穩(wěn)定時間（~500 Hz 陷波）的 SINC3 濾波器仍會抑制低于 4 mA 至 20 mA 輸入 0.5% 的 HART 通信信號。如果速度是唯一要求并且不需要 HART 通信，那么前面討論的 AD7173 可以采樣超過 31ksamples/s，建立時間為 161μs/通道。

傳統(tǒng)的模擬低通濾波器更容易理解，而且由于板上每個通道的元件數(shù)量較少，因此在某些情況下，在多通道系統(tǒng)中實(shí)施時可以提供更好的模擬輸入性能。另一方面，集成在 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器上的數(shù)字 SINC 濾波器具有顯著的靈活性，可以一直提供給最終系統(tǒng)用戶。數(shù)字解決方案需要較少的硬件，如果設(shè)置正確，它在過濾 HART FSK 信號方面的性能優(yōu)于單通道系統(tǒng)中的模擬解決方案，并且在多達(dá)四通道系統(tǒng)中具有可比性或更好的性能。

作者：Michal Brychta，Derrick Hartmann

審核編輯：郭婷