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1所示的電路是一個(gè)隔離式智能工業(yè)現(xiàn)場儀表，可連接多種類型的模擬傳感器，如溫度傳感器（Pt100、Pt1000和熱電偶）或橋式壓力傳感器。儀器通過4 mA至20 mA模擬輸出和高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器（哈特?）接口進(jìn)行通信。哈特是一種數(shù)字雙向通信，其中1 mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號調(diào)制在標(biāo)準(zhǔn)4 mA至20 mA模擬電流信號之上。哈特接口允許遠(yuǎn)程校準(zhǔn)、故障詢問和過程變量傳輸?shù)裙δ埽@些功能在溫度和壓力控制等應(yīng)用中是必需的。


該電路采用AD 7124 -4，這是一款超低功耗、精密24位、ADC-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有溫度和壓力系統(tǒng)所需的所有特性。該電路還包括：16位、4 mA至20 mA環(huán)路供電數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）AD 5421;業(yè)界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC調(diào)制解調(diào)器AD 5700;提供超低功耗串行外設(shè)接口（SPI）隔離的ADuM 1441;CMOS開關(guān)ADG 5433;以及隔離電源電路中的低功耗3.3 V穩(wěn)壓器ADP 162。
AD 7124 -4是一款低功耗、低噪聲、完全集成的模擬前端，適合高精度測量應(yīng)用。該器件內(nèi)置一個(gè)低噪聲、24位、ADC，可配置為4路差分輸入或7路單端或偽差分輸入。片內(nèi)低噪聲增益級可確保小幅度信號可直接連接到ADC。


AD 7124 -4的主要優(yōu)勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可根據(jù)所選的電源模式進(jìn)行調(diào)整。該設(shè)備還提供多種過濾器選項(xiàng)，確保用戶具有最高程度的靈活性。


當(dāng)以25 SPS（單周期建立）的輸出數(shù)據(jù)速率工作時(shí)，AD 7124 -4可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz抑制。


AD 7124 -4實(shí)現(xiàn)了最高程度的信號鏈集成。該器件內(nèi)置一個(gè)精密、低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，還支持一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓源，可在內(nèi)部進(jìn)行緩沖。其他關(guān)鍵集成特性包括可編程低漂移激勵(lì)電流源、燒毀電流和偏置電壓發(fā)生器，后者可將通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2。低端電源開關(guān)使用戶能夠在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉橋接傳感器，確保系統(tǒng)的功耗絕對最低。該設(shè)備還允許用戶選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘進(jìn)行操作。


集成通道序列器允許同時(shí)使能多個(gè)通道，AD 7124 -4在每個(gè)使能通道上依次進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而簡化與器件的通信。任何時(shí)候都可以啟用多達(dá)16個(gè)通道;通道被定義為模擬輸入或診斷，例如電源檢查或參考檢查。此獨(dú)特功能允許診斷與轉(zhuǎn)換交錯(cuò)進(jìn)行。AD 7124 -4還支持單通道配置。該設(shè)備允許八種配置或設(shè)置。每種配置都包括增益、濾波器類型、輸出數(shù)據(jù)速率、緩沖和基準(zhǔn)源。用戶可以逐個(gè)通道地分配這些設(shè)置中的任何一個(gè)。


AD 7124 -4還集成了廣泛的診斷功能，作為其全面特性集的一部分。這些診斷包括循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）、信號鏈檢查和串行接口檢查，從而提供更可靠的解決方案。這些診斷減少了對外部元件的需求，從而減少了電路板空間需求，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了成本。根據(jù)IEC 61508，典型應(yīng)用的故障模式影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分?jǐn)?shù)（SFF）大于90%。
傳感器輸入
該電路通過8針連接器支持3線和4線RTD、熱電偶和壓力傳感器。AD 7124 -4具有與這些傳感器接口所需的所有構(gòu)建模塊。對于連接的所有傳感器類型，ADC均在中功率模式下使用。使用后置濾波器是因?yàn)樗?5 SPS下轉(zhuǎn)換時(shí)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz抑制。當(dāng)傳感器連接到電路時(shí)，ADC配置為適合所連接的傳感器類型。還可以執(zhí)行內(nèi)部滿量程和失調(diào)校準(zhǔn)，以最大限度地減小失調(diào)誤差和滿量程誤差，校準(zhǔn)由UART或哈特命令啟動(dòng)。


AD 7124 -4片內(nèi)集成多種診斷功能，可確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。在該電路中，開路檢測確保傳感器連接，狀態(tài)寄存器中的上電復(fù)位（POR）受到監(jiān)控，以便在上電復(fù)位發(fā)生時(shí)通知用戶。每次轉(zhuǎn)換都讀取錯(cuò)誤寄存器，其內(nèi)容通過哈特沿著傳感器結(jié)果發(fā)送。


RTD
電阻式溫度檢測器（RTD）可以測量?200°C至+600°C的溫度。典型的RTD是Pt100和Pt1000，由鉑制成。該電路使用Pt100。


4-線RTD
圖2顯示了4線Pt100 RTD如何連接到電路。
AD 7124 -4的一個(gè)片內(nèi)激勵(lì)電流激勵(lì)Pt 100。Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600°C時(shí)）。如果激勵(lì)電流編程為250 μA，則Pt100兩端產(chǎn)生的最大電壓為


CN0382 Equation A


當(dāng)可編程增益陣列（PGA）的增益設(shè)置為16時(shí)，調(diào)制器輸入端的最大電壓為


CN0382 Equation B


一個(gè)5.6 kΩ精密電阻（0.05%，10 ppm/°C）產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。選擇基準(zhǔn)電阻RREF的值，使其兩端產(chǎn)生的電壓在本電路中具有最小值1.25 V，也就是說，由于模擬輸入，調(diào)制器輸入端的電壓小于或等于基準(zhǔn)電壓。為Pt 100供電的250 μA電流也流經(jīng)5.6 kΩ電阻，從而形成比率配置。因此，激勵(lì)電流的任何變化對電路的性能沒有影響。精密電阻器兩端產(chǎn)生的電壓為


CN0382 Equation C


模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)處的任何干擾混疊進(jìn)入目標(biāo)頻帶。為確保這些濾波器和外部電阻不會(huì)導(dǎo)致增益誤差，基準(zhǔn)電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動(dòng)使能，因?yàn)檫@些緩沖器在使用PGA時(shí)使能?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內(nèi)為100 mV）。因此，在低壓側(cè)包括一個(gè)470 Ω電阻，以提供此裕量。


250 μA激勵(lì)電流需要370 mV裕量。此引腳上的電壓為（470 + 5600 + 313.71）Ω × 250 μA = 1.6 V，可以接受。


AIN4和AIN5引腳用作AINP和AINM模擬輸入。
連接器引腳上的1 kΩ電阻具有雙重用途：它們組成抗混疊濾波器，并且在發(fā)生過壓（例如，由于布線錯(cuò)誤）時(shí)保護(hù)模擬輸入。


電路筆記CN-0383提供了有關(guān)4線式Pt100傳感器與AD 7124 -4接口以及轉(zhuǎn)換線性化或后處理的更多詳細(xì)信息。


圖1所示電路還支持4線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100所用的相同。所用ADC配置如本節(jié)前面所述，但PGA增益設(shè)置為1。


3-線RTD
圖3顯示了三線制Pt100 RTD如何連接到電路。
圖3. 3-線RTD


AD 7124 -4具有兩個(gè)匹配的激勵(lì)電流。兩者都與3線RTD一起使用，以便可以執(zhí)行引線補(bǔ)償。由于Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600 °C時(shí)），因此激勵(lì)電流編程為250 μA?；鶞?zhǔn)電阻RREF連接在頂部。因此，一個(gè)250 μA激勵(lì)電流（IOUT 0）在引腳AIN 6上輸出，流經(jīng)5.6 kΩ精密基準(zhǔn)電阻（0.05%，10 ppm/°C），然后流經(jīng)Pt100。第二個(gè)250 μA電流（IOUT 1）通過引腳AIN 7輸出。該電流由于引線電阻而產(chǎn)生電壓，該電壓與由于AIN 6上的電流而產(chǎn)生的引線電阻電壓相反。因此，由于引線電阻引起的誤差被最小化。


5.6 Ωk基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓為


CN0382 Equation D


Pt100兩端產(chǎn)生的最大電壓為


CN0382 Equation E


當(dāng)PGA設(shè)置為增益16時(shí)，在AD 7124 -4調(diào)制器處觀察到的電壓為


CN0382 Equation F


此電壓在范圍內(nèi)，因?yàn)樗∮趨⒖茧妷骸?br />

模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調(diào)制器采樣頻率倍數(shù)處的任何干擾混疊到目標(biāo)頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不會(huì)導(dǎo)致增益誤差，基準(zhǔn)電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動(dòng)使能，因?yàn)檫@些緩沖器在使用PGA時(shí)使能?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內(nèi)為100 mV）。因此，在低壓側(cè)包括一個(gè)470 Ω電阻，以提供此裕量。
對于電壓激勵(lì)架構(gòu)，AVDD（3.3 V）激勵(lì)傳感器。如果AVDD用于激勵(lì)稱重傳感器，則激勵(lì)電壓可直接用作ADC參考。請注意，在傳感器的高端和低端添加了一個(gè)電阻，以確保滿足AD 7124 -4緩沖器的裕量要求。使用的增益為16。


對于電流激勵(lì)模式，AD 7124 -4的兩個(gè)100 μA激勵(lì)電流均指向引腳AIN 6，從而為傳感器提供200 μA激勵(lì)電流。再次將增益設(shè)置為16?；鶞?zhǔn)電壓源由一個(gè)5.6 kΩ精密電阻產(chǎn)生。這種布置導(dǎo)致比率配置，即勵(lì)磁電流值的任何偏差對系統(tǒng)精度沒有影響。


該電路板包括將傳感器低端連接到GND或AD 7124 -4電源開關(guān)的選項(xiàng)。


如前所述，模擬輸入和基準(zhǔn)電壓輸入具有抗混疊濾波器，可抑制ADC采樣頻率倍數(shù)時(shí)產(chǎn)生的任何干擾。如果出現(xiàn)過壓，串聯(lián)電阻器也會(huì)限制電流。


主要傳感器模擬
該電路包括一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)和電位計(jì)，用于傳感器模擬（圖1所示的主傳感器模擬電路）。利用電位計(jì)，施加在AIN 0（AINP）和AIN 1（AINM）之間的電壓可在約?0.09 V至約+1.36 V范圍內(nèi)變化。該電路使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行轉(zhuǎn)換; AD 7124 -4增益設(shè)為1，模擬輸入緩沖器使能。這種配置允許用戶評估電路，而無需連接外部傳感器。


數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理、算法和通信
演示軟件（包含在CN-0382設(shè)計(jì)支持包中）執(zhí)行初始化和配置，處理模擬輸入數(shù)據(jù)，控制模擬輸出，并執(zhí)行哈特通信。所有提到的傳感器都需要線性化或補(bǔ)償。該線性化在軟件中執(zhí)行。有關(guān)RTD和熱電偶傳感器以及所需線性化的更多詳細(xì)信息，請參見電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384
哈特通信
AD5700集成了完整的哈特FSK調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器通過標(biāo)準(zhǔn)的UART接口連接到微控制器，并通過請求發(fā)送（RTS）和載波檢測（CD）信號進(jìn)行補(bǔ)充。


哈特輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器縮放至所需幅度，并耦合至AD 5421 CIN引腳，在此與DAC輸出結(jié)合，以驅(qū)動(dòng)和調(diào)制輸出電流。


哈特輸入通過一個(gè)簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合到AD 5700 ADC_IP引腳。RC濾波器作為哈特解調(diào)器的第一級帶通濾波器工作，還提高了系統(tǒng)的電磁抗擾度，這對于在惡劣工業(yè)環(huán)境中工作的魯棒應(yīng)用非常重要。


AD5700低功耗振蕩器利用直接連接到XTAL 1和XTAL 2引腳的3.6864 MHz外部晶振為哈特調(diào)制解調(diào)器生成時(shí)鐘。


輸出保護(hù)
瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）可保護(hù)4 mA至20 mA哈特接口免受過壓影響。選擇TVS額定電壓，使其不超過AD 5421 REGIN引腳上的絕對最大電壓60 V。請注意，TVS漏電流會(huì)影響電流輸出精度;因此，在選擇此器件時(shí)，請注意給定環(huán)路電壓和溫度范圍下的漏電流。


外部耗盡型FET可與AD5421配合使用，以提高環(huán)路電壓最大值。


該電路由一對與環(huán)路輸出串聯(lián)的二極管提供反極性保護(hù)。


與環(huán)路串聯(lián)的鐵氧體磁珠以及4700 pF電容可提高系統(tǒng)EMC性能。由于哈特網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，請勿在回路端子之間使用較高的電容。


4.7 V低泄漏齊納二極管可在AD5421 COM引腳與LOOP?引腳之間出現(xiàn)意外外部電壓時(shí)（例如，調(diào)試電路時(shí)）保護(hù)片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電阻。
電源和電源管理
整個(gè)現(xiàn)場儀表電路（包括傳感器驅(qū)動(dòng)電流）必須在4 mA至20 mA環(huán)路的有限可用功率下工作。這是任何環(huán)路供電現(xiàn)場儀表設(shè)計(jì)中的常見挑戰(zhàn)。圖1中的電路提供了一個(gè)同時(shí)提供低功耗和高性能解決方案的示例。該應(yīng)用中使用的所有集成電路均為低功耗設(shè)計(jì)，該電路利用其集成特性提供靈活的電源管理結(jié)構(gòu)和最佳環(huán)路供電解決方案。


AD 5421由4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，并為電路的其余部分提供穩(wěn)壓低電壓。根據(jù)電路要求，AD 5421 REGOUT電壓可在1.8 V至12 V范圍內(nèi)進(jìn)行引腳編程。圖1中的電路使用9 V電源電壓選項(xiàng)。傳感器側(cè)通過簡單的推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器與4-20 mA環(huán)路隔離。ADG 5433由微控制器提供時(shí)鐘，產(chǎn)生9 V非重疊方波，驅(qū)動(dòng)一個(gè)Transformer。Transformer工作電壓比為2：1。副邊的4.5 V電壓由ADP 162整流和調(diào)節(jié)，為AD 7124 -4提供低噪聲3.3 V電源。AD 7124 -4的模擬和數(shù)字3.3 V電源均由ADP 162調(diào)節(jié)器供電。然而，包括濾波器（L1/R19）以防止來自數(shù)字電路的噪聲被饋送到模擬部分。


AD5421在環(huán)路側(cè)提供3.3 V邏輯電源。微控制器和AD5700直接使用該電源。


REGOUT RC濾波器（10 μF/10 Ω/10 μF）有助于防止來自環(huán)路的任何干擾影響模擬電路。它還可防止電路（特別是控制器和數(shù)字電路）產(chǎn)生的任何干擾耦合回環(huán)路，這對于可靠的哈特通信非常重要。


AD 5700哈特調(diào)制解調(diào)器通過一個(gè)附加RC濾波器（470 Ω/1 μF）供電。該濾波器在環(huán)路供電應(yīng)用中非常重要，因?yàn)樗梢苑乐箒碜訟D 5700的電流噪聲耦合到4 mA至20 mA環(huán)路輸出，否則會(huì)影響哈特通信。AD 5700調(diào)制解調(diào)器使用帶8.2 pF電容的外部晶振在XTAL 1和XTAL 2引腳上接地，這是功耗最低的選項(xiàng)。
AD 7124 -4的主要優(yōu)勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。lt;電流消耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可根據(jù)所選電源模式進(jìn)行調(diào)整。因此，對于4 mA至20 mA或便攜式設(shè)備，低或中功率模式是最佳選擇。對于功耗不是問題的過程控制系統(tǒng)，可以使用全功率模式，從而降低噪聲。對于該環(huán)路供電電路，使用中功率模式。有關(guān)電源模式的更多信息，請參見AD 7124 -4數(shù)據(jù)手冊。


連接壓力傳感器時(shí)，AD 7124 -4的PSW接地開關(guān)引腳控制激勵(lì)/電源。儀器上電時(shí)，開關(guān)默認(rèn)關(guān)閉。此默認(rèn)值允許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進(jìn)行完全配置，包括適當(dāng)?shù)碾娫茨Ｊ剑瑥亩畲笙薅鹊販p少4 mA至20 mA環(huán)路輸出上可能出現(xiàn)的上電尖峰。


當(dāng)連接RTD傳感器時(shí)，它由AD 7124 -4的可編程電流源供電，因此其電源完全由軟件控制。同樣，對于熱電偶傳感器，偏置電壓和絕對基準(zhǔn)電壓源嵌入在AD 7124 -4中，因此由軟件控制。


軟件
微控制器通過SPI接口與AD 7124 -4和AD 5421連接。它通過UART接口UART 0與AD 5700通信。軟件通過微控制器上的第二個(gè)UART接口UART 1下載到微控制器。


啟動(dòng)時(shí)，微控制器配置所有三個(gè)器件，AD 7124 -4配置為T型熱電偶。AD 7124 -4工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下。因此，其DOUT/RDY引腳也連接到微控制器上的中斷。每當(dāng)ADC有轉(zhuǎn)換可用時(shí)，微控制器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化和處理。結(jié)果發(fā)送至AD 5421 DAC，通過4 mA至20 mA環(huán)路傳輸。用于演示電路功能和性能的軟件包含在CN-0382設(shè)計(jì)支持包中。該軟件支持本電路筆記中提到的所有傳感器類型。CN-0382設(shè)計(jì)支持包中還提供了有關(guān)如何針對不同傳感器類型更改軟件的文檔以及有關(guān)將軟件下載到微控制器的詳細(xì)信息。


代碼示例包括一個(gè)基本的哈特從機(jī)命令響應(yīng)，以演示硬件功能和能力。然而，代碼示例不包括哈特通信的協(xié)議層。AD 7124 -8可用作AD 7124 -4的替代產(chǎn)品。AD 7124 -4和AD 7124 -8具有相同的性能。然而，AD 7124 -8提供8路差分或15路偽差分輸入，因此適合需要高通道數(shù)的應(yīng)用。


AD5421可以通過保護(hù)直接連接到環(huán)路。也可以在AD5421和環(huán)路電源之間連接一個(gè)耗盡型N溝道MOSFET，如圖8所示。在此配置中使用附加MOSFET可使AD5421兩端的壓降保持在約12 V，降低AD5421封裝中的功耗，從而提高4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還將環(huán)路中允許的最大電壓提高到MOSFET額定值。附加MOSFET對哈特通信沒有影響。