【導讀】模擬電路在工業(yè)環(huán)境中是很常見(jiàn)的。雖然在模擬電流環(huán)路中基本信號調制相同，但是帶寬是存在明顯差異的。本文介紹了使用HART的兼容性來(lái)簡(jiǎn)化模擬電流環(huán)路設計的經(jīng)典方案。在允許的模擬電流環(huán)路內，實(shí)現了數字通信。
在工廠(chǎng)環(huán)境中，4mA至20mA模擬電流環(huán)路很常見(jiàn)。雖然各種應用中的基本信號調制均相同，但帶寬要求卻有很大的不同。工廠(chǎng)控制系統可能需要幾百Hz環(huán)路帶寬(來(lái)自位置和位移傳感器)，而典型的過(guò)程控制系統僅需幾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)議允許在傳統的模擬4mA至20mA電流環(huán)路內實(shí)現雙向1.2/2.2 kHz FSK(頻移鍵控)調制數字通信。設計同時(shí)滿(mǎn)足兩種情況的4mA至20mA輸入可能會(huì )有一定難度。圖1中的電路圖是一個(gè)支持HART的模擬輸入的傳統部署方法。
圖1：集成無(wú)源濾波器且支持HART的輸入。
圖中，R1和RSENSE組成一個(gè)250Ω系統端接阻抗。HART FSK信號從該處到HART調制解調器為交流耦合。通過(guò)精密100Ω的RSENSE電阻，將4mA至20mA模擬信號轉換為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(zhù)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規范，可將HART FSK信號衰減至4mA至20mA滿(mǎn)量程以下超過(guò)-60dB電平，確保HART FSK通信輸入擾動(dòng)不超過(guò)0.1%。
另一方面，該模擬低通濾波器在系統輸入端的滿(mǎn)量程跳變之后，建立至0.1%以?xún)刃璐蠹s70ms。這種較長(cháng)的建立時(shí)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。確實(shí)可以旁路模擬濾波器，但需要額外的模擬電路，比如開(kāi)關(guān)或多路復用器。圖2顯示了支持HART的模擬輸入的替代方案。
圖2：支持HART的靈活帶寬輸入。
與上一個(gè)電路類(lèi)似，HART FSK信號交流耦合至250Ω輸入阻抗，而4mA至20mA信號通過(guò)100Ω的精密RSENSE電阻轉換為0.4V至2V信號。然而本電路中，一個(gè)輕度的低通濾波器將信號帶寬限制為27kHz左右，以便為系統提供免疫性和電磁兼容性(EMC)。系統輸入端滿(mǎn)量程跳變后，濾波器在40μs時(shí)間內建立至0.1%。
信號會(huì )被傳遞到帶有內置數字濾波器的Σ-Δ型ADC，比如 ADI公司的AD7173。數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(shí)設置為快速工作模式。
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AD7173支持多種工作模式。其中一種模式適合用來(lái)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(shí)提供深濾波器陷波并可在較高頻率(2.2kHz)時(shí)提供大幅衰減的分數頻率。圖3中的曲線(xiàn)顯示該數字濾波器的頻率響應，及其與圖1中模擬濾波器的比較。
圖3：集成無(wú)源濾波器且支持HART的輸入。
不幸的是，真實(shí)情況遠沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。當一條完整的消息經(jīng)過(guò)HART發(fā)送后，HART FSK調制信號頻譜不僅在基頻調制頻率處包含電能，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A(yíng)DC輸入端的典型頻譜，以及通過(guò)SINC3濾波器以400Hz陷波衰減時(shí)的頻譜。本例中，主機發(fā)送HART命令3，從機響應該命令。
圖4：HART消息頻譜。
由圖4可以看出，HART消息的一部分(尤其在較低頻率處)依然可以出現在A(yíng)/D輸出數據中。也就是說(shuō)，可以輕松更改數字濾波器設置，以便實(shí)現HART FSK采樣輸入速度和抑制之間的正確平衡。圖5顯示了系統性能，其測量值在4mA至20mA滿(mǎn)量程范圍內以百分比誤差表示，同時(shí)比較模擬濾波器(圖1)和SINC3數字濾波器(圖2)的系統速度。
圖5：SINC3濾波器與模擬濾波器。
模擬濾波器在硬件中固定，并具有固定的建立時(shí)間。對于系統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(shí)間決定。例如，如果系統輸入每40ms改變滿(mǎn)量程，則濾波器輸出不會(huì )建立至正確值1%以?xún)?。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(mǎn)量程的0.09%。
此外，數字SINC3濾波器的建立時(shí)間是一個(gè)用戶(hù)設置的參數，濾波器輸出誤差是由于HART FSK調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(shí)間，當傳輸HART命令3時(shí)，A/D上測得的擾動(dòng)不足4mA至20mA滿(mǎn)量程的0.4%。在具有四個(gè)模擬輸入的系統中，SINC3濾波器在通道之間順序切換。同樣的400Hz陷波SIN3濾波器現在需要4×7.5= 30ms才能掃描全部四個(gè)通道。這便是四通道系統的曲線(xiàn)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(shí)間，該設置對應100Hz陷波且將HART信號抑制在不足滿(mǎn)量程的0.1%。如果速度更為重要，則6ms建立時(shí)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(wú)需進(jìn)行HART通信，則前文提及的AD7173能夠以每通道161μs的建立時(shí)間達到3 ksps的采樣速率。
傳統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(gè)元器件可在多通道系統中實(shí)現較好的模擬輸入性能。另一方面，Σ-Δ型ADC的集成數字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用戶(hù)都可提供的。數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)于單通道系統中的模擬解決方案，而與最多四通道的系統相比具有接近或更佳的性能。
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