作者：Derrick Hartmann 和 Michal Brychta

HART（高速可尋址遠程傳感器）協議允許通過傳統的模擬 4 mA 至 20 mA 電流環路進行雙向 1.2 kHz/2.2 kHz FSK（頻移鍵控）調制數字通信。這允許對傳感器/執行器進行詢問，并在設備安裝、監控和維護期間提供顯著優勢。HART為使用便攜式輔助設備詢問傳感器/執行器的維護人員提供了好處，但要充分發揮HART帶來的所有好處，傳感器/執行器必須連接到具有HART支持的電流輸入或輸出的控制系統。本文將重點介紹支持HART的電流輸入，以及在已經空間受限的4 mA至20 mA輸入設計中添加HART功能的相關挑戰。

首先，讓我們關注HART FSK發送電路。圖1顯示了HART FSK發射電路的傳統方法，在討論該電路之后，我們將展示改進的電路設計，從而節省空間和成本。

圖1.傳統的HART FSK發射電路。

在圖 1 中，R意義將4 mA至20 mA信號轉換為1 V至5 V信號，由ADC讀取。HART FSK 發射電路交流電通過 C1 將 ±500 mV HART FSK 信號耦合到 4 mA 至 20 mA 環路。這些信號是正弦或梯形波形。在HART調制解調器的輸出端需要一個具有足夠驅動強度的良好緩沖器，因為R意義代表低阻抗，電流環路布線上也可能有相當大的電容。當HART不傳輸時，緩沖器輸出會向環路提供低阻抗，這可能會損害4 mA至20 mA信號。因此，開關（SW1）與緩沖器輸出串聯使用，以便在不傳輸時提供高阻抗。

SW1開路時，4 mA至20 mA環路可在1 V至5 V之間擺動。由于這種變化是交流耦合到SW1的，因此開關的輸入電壓可能高達±4 V。因此，開關需要±5 V或更高的雙極性電源，或者可以使用光電開關。三態緩沖器是另一種選擇，但同樣，該緩沖器需要雙極性電源。另一種選擇是使用變壓器隔離?？紤]到HART信號頻率，將需要音頻變壓器，這可能體積龐大，并且占用大量電路板面積。

圖2顯示了改進的HART FSK發射電路設計，該設計在減少空間和成本方面具有優勢。在本電路中，AD5700 HART調制解調器具有足夠的驅動強度，無需外部緩沖器即可將±500 mV FSK信號直接驅動到電流環路上。

圖2.改進了HART FSK發射電路。

調制解調器不傳輸時，AD5700的FSK輸出偏置至0.75 V，阻抗為70 kΩ。R2和R3提供更強的0.75 V偏置，交流阻抗為R2和R3 = 1.7 kΩ。由該1.7 kΩ和C1組成的高通濾波器可確保最差情況下的4 mA至20 mA輸入信號，該信號在200 Ω R范圍內為25 Hz時為±16 mA意義，僅導致HART調制解調器FSK輸出被驅動至0 V至1.5 V之間。這意味著整個輸入可以采用低至1.62 V的單極性電源供電，其中1.62 V是HART調制解調器的最小電源。

另一個考慮因素是輸入阻抗，應大于230 Ω。為了確保足夠大的輸入阻抗，250 Ω輸入電阻被分成50 Ω和200 Ω。交流輸入阻抗為 R1 + （R意義||R2 ||R3） ≈ 230 Ω。如果需要，可以通過增加0.75偏置電阻R2和R3的值來增加該阻抗。FSK發射路徑中額外的50 Ω將在一定程度上衰減FSK信號，但電壓仍將滿足HART規范的要求。

當電流環路擺動時，會有一些電流流過C1、R2和R3。必須確保這不會顯著影響4 mA至20 mA模擬信號。將 0.1% 視為可接受的誤差貢獻<等于 7 個時間常數 （τ）。所以 7τ = 7 × R × C = 7 × （R2 ||R3） × C1 = 30 毫秒。4 mA至20 mA模擬信號限制為25 Hz，相當于40 ms周期。由于這比7個時間常數長，這意味著額外的電流測量誤差將始終<0.1%。

這種改進的電路（如圖2所示）消除了對緩沖器和開關的需求，也消除了對雙極性電源的需求。與傳統的HART FSK發射電路相比，這三個因素為系統節省了大量空間和成本。

HART FSK輸入的電路如圖3所示。這提供了一個帶通濾波器來抑制低頻模擬信號，并提供對高頻干擾源的抗擾度。所示濾波器專為AD5700量身定制，因不同的HART調制解調器而異。該帶通濾波器的一個特點是R1提供的150 kΩ輸入阻抗，可提供固有的高水平瞬態事件保護。

圖3.哈特FSK輸入。

用于4 mA至20 mA電流測量的電路如圖4所示。200 Ω精度 R意義電阻將4 mA至20 mA信號轉換為0.8 V至4 V信號，由ADC轉換。接下來是雙極點低通濾波器R2、C1、R3、C2，以抑制HART FSK信號。然后將該信號饋送到ADC進行轉換。

圖4.電流測量電路。

本文中描述的電路已經過構建和測試，可用作具有HART兼容性的PLC/DCS四通道電壓和電流輸入的參考電路—CN0364。本文中描述的電路在該板上完全實現，另外一個原因是該板還支持在四個輸入通道之間多路復用HART。為了測試相關通道，FSK發射開關可以保持開路或閉合狀態，當保持開路時，電路將與圖2中的電路相同。此參考設計的文檔可在 www.analog.com/CN0364 免費獲得，硬件也可購買。

本文概述了如何為啟用HART的模擬輸入實現硬件。它還展示了使用AD5700 HART調制解調器改進的HART FSK發送電路。這種改進的電路無需任何外部緩沖器或開關，從而節省了電路板空間和成本。它還消除了對雙極性電源的需求，從而節省了空間、成本和電源復雜性。

審核編輯：郭婷