如何设计一款低成本HART发送器？

2017-03-13 18:46分类：变频器阅读：

利用可寻址远程传感器数据通路(HART)协议，过程测量与控制器件可通过传统4～20mA电流环路实现通信。这种协议使用1200Hz和2200Hz频率的移频键控(FSK)。此处，一个1200Hz周期代表一个逻辑l，而两个2200Hz周期代表逻辑0。由于FSK波形的平均值始终为0，因此模拟4～20mA信号不受影响。理想情况下，FSK信号由叠加在DC测量信号上的两个频率正弦波组成。但是相连续FSK正弦波的生成是一种十分复杂的过程，因此为了简化HART信号波形的生成过程，HART规范的物理层对参数极限值进行了定义，标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。在这种情况下，一种梯形波形非常适合于这种应用，图4-25显示了其各个极限值。

图4-26所示HART发送器提供了一种简单且低成本的解决方案，其产生一个梯形HART波形，并将它叠加在一个可变DC电平上，最终把产生的输出电压转换为电流环路。

HART FSK信号（常由本地微控制器单元[MCU]生成），被应用于首个NAND栅极(G1)的输入端。MCU的通用I/O端口的第二个输出，起到一个有效高态“激活”(ENABLE)信号的作用。Gi控制两个远端NAND栅极（G2和G3），其输出通过高阻抗分压器Ri和R2连接到一起。

由R和Rs组成的第二个分压器，将SV电源分为一个VREF= Vcc/2的基准电压，即2.5V。只要“激活”为低电平，G2的输出便为低态，而G3输出为高态。由于高阻抗负载，NAND输出拥有轨到轨功能；RI=R2时，Al非反向输入VIN的输入电压也为2.5V。当“激活”为高态时，G2和G3输出相互换相，从而在VIN下形成一个小方波，其围绕VREF对称摆动。VIN的峰值到峰值振幅为：

v为正5V电源，而R1IIR2为Ri和R2的并联组合。把图4-26的电阻值插入方程式得到VINPP)=200mV的输入电压摆动，其让vN摆动位于2.4V和2.6V之间。当VIN升至2.6V时，Al的输出立即达到正饱和状态，并通过R和R7对C3充电。C3( VHART)的实际HART电压线性上升，直到达到2.6V为止。

这时，放大器A1迅速退出饱和状态，并起到一个电压跟随器的作用，从而将VHART保持在2.6V。当VIN下降至2.4V时，Al输出进入负饱和状态，并通过R6和R7对C3放电。之后，VHART线性下降，直到其达到2.4V为止。这时，A1退出饱和状态，并再次起到一个电压跟随器的作用，将VHART保持在2.4V。

由此产生的梯形波形在振幅方面与VIN相等，并且围绕VREF做对称摆动。它的转换速率计算方法如下：

其中VSAT为A1的正或负输出饱和电压。

由于VHART的AC电流比VSAT小，因此VHART可以由其静态电平VREF得到近似值。另外，A1轨到轨输出能力结合R6负载高阻抗，可得到SV和OV的输出饱和电平。假设R7远小于R6，则前面表达式可简化为：

如果我们把图4-26的R和C3组件值插入方程式，则梯形波形的转换速率结果为±1.25V/ms。

把VHART (200mV)的峰值到峰值振幅调节为ImA HART峰值到峰值电流信号，让1.25V/ms电压转换速率相当于HART电流信号中6.25mA/ms的电流转换速率，从而完全位于图4-25所示极限值范围以内。要求使用R7来将Al输出隔离于大电容负载C3，目的是维持闭环稳定性。具体要求值取决于Al的单位增益带宽fT以及R6和C3。C7的有效近似值计算方法如下：

Al必须具有相当宽的频率响应，并且其转换速率要明显快于HART梯形波形。OPA2374是TI -种低成本的双运算放大器，其拥有sv/μS的高转换速率和fr6.5MHz的单位增益带宽。另外，放大器输出具有轨到轨驱动能力，其典型静态电流为每个放大器585μA。第二个放大器A2把HART信号叠加于可变DC电压VDC上。A2输出电压VOUT变为：

使R8到R11值相等，可将上面方程式简化为：

由于VHART由一个200mV梯形波形（围绕VREF对称摆动）组成，因此A2输出仅包含叠加在可变DC电平上的小HART波形。将VOUT送入TI的XTR115电压到电流转换器，可使每个200mV VDC相当于ImA电流。因此，把VDC从0.8V变为4.OV，相当于一个4～20mA电流范围。

电阻器R8到Rii值应足够大，以最小化对C3充电电流的负载影响，但是又不能太大，以免A2输入偏差电流引起误差。适当的电阻值可将VREF从VOUT完全消除，这样VOUT=VDC士lOOmV。因此，R1和Rs取值不当，或者电压电源存在差异，都不会对VOUT的DC电流产生很大影响。

XTR115是一种双线、精密、电流输出转换器，其通过一个工业标准电流环路发送模拟4～20mA信号。这种器件拥有精确的电流调节和输出电流限制功能。它的片上SV电压调节器用于外部电路供电。为了确保对输出电流/OUT的控制，电流返回引脚/RET起到一个本地接地的作用，并对外部电路中使用的所有电流进行检测。它的输入级拥有100的电流增益，其由两个激光修正增益电阻RGl和RG2设置：