灵活的带宽4mA至20mA电流输入具有轻松的HART兼容性

作者：Michal Brychta and Derrick Hartmann

4 mA至20 mA模拟电流环路常见于加工厂和工厂环境。虽然两种环境中的基本信令相同，但带宽要求却大不相同。工厂控制系统可能需要位置和位移传感器的环路带宽为 100 Hz。另一方面，典型的过程控制系统只需要几赫兹的更新速率，并且通常启用HART。HART（高速可寻址远程传感器）协议允许在传统的模拟 4 mA 至 20 mA 电流环路上进行双向 1.2 kHz/2.2 kHz FSK（频移键控）调制数字通信。设计满足这两种情况的4 mA至20 mA输入可能具有挑战性。本文概述了一种大大简化此类设计的方法。

图1中的电路图显示了实现HART模拟输入的传统方法。

图1.带无源滤波器的HART使能输入。

R1和 R意义提供 250 Ω 的系统终端阻抗。HART FSK信号从那里交流耦合到HART调制解调器。4 mA 至 20 mA 模拟信号由精密 100 Ω R 转换意义电阻至0.4 V至2 V电压信号。然后，模拟低通滤波器从模拟信号中衰减HART FSK组件，然后再将其传递到ADC。二阶低通模拟滤波器的带宽为25 Hz，滚降为–40 dB/十倍频程。

该电路符合HART规范，可将HART FSK信号衰减至低于4 mA至20 mA满量程的–60 dB以上，确保HART FSK通信对4 mA至20 mA模拟输入的干扰小于0.1%。

另一方面，该模拟低通滤波器在系统输入满量程步进后需要近70 ms才能在0.1%以内建立。长建立时间和低带宽不适用于需要快速操作且不需要HART通信的系统。模拟滤波器确实可以绕过，但这需要额外的模拟电路，例如开关或多路复用器。

图2显示了启用HART的模拟输入的另一种方法。

图2.支持HART，灵活的带宽输入。

与前一个电路类似，HART FSK信号由250 Ω输入阻抗交流耦合，4 mA至20 mA模拟信号由精密100 Ω R转换。意义电阻至0.4 V至2 V电压信号。然而，在该电路中，一个相当轻的低通滤波器将信号带宽限制在27 kHz左右，只是为了提供系统抗扰度和电磁兼容性（EMC）。在系统输入端进行满量程步进后，滤波器在40 μs内建立至0.1%。

该信号通过内置数字滤波器传递到∑∆ADC，例如ADI公司的AD7173。数字滤波器可以编程为较慢的操作和最佳的HART FSK信号抑制，或者在需要快速模拟输入功能时快速操作。

AD7173数字滤波器具有多种工作模式。适合抑制HART FSK信号的模式之一是陷波设置为400 Hz或子倍的sinc3滤波器，它在1.2 kHz的较低HART FSK频率下提供深滤波器陷波，在2.2 kHz的较高频率下提供显着衰减。图3中的图表显示了该数字滤波器的频率响应及其与图1模拟滤波器的比较。

图3.带无源滤波器的HART使能输入。

不幸的是，现实世界并没有那么简单。当通过HART发送完整的消息时，HART FSK调制信号频谱不仅包含基本调制频率的能量，而且还包含介于1.2 kHz和2.2 kHz载波之间、低于和高于1.2 kHz的分量。

图4显示了ADC输入端HART FSK消息的典型频谱，以及被具有400 Hz陷波的sinc3滤波器衰减时的频谱。在这种情况下，主站正在发送HART命令3，而从站正在响应该命令。

图4.哈特消息谱。

从这个图中可以明显看出，HART消息的一部分，特别是在较低频率下，仍然可以存在于模数输出数据中。也就是说，可以轻松更改数字滤波器设置，以在4 mA至20 mA输入速度和HART FSK信号抑制之间设置适当的平衡。

图5显示了系统性能，以相对于4 mA至20 mA满量程的百分比误差与模拟滤波器（如图1所示）和sinc3数字滤波器（如图2所示）的系统速度的关系。

图5.Sinc3滤波器与模拟滤波器。

模拟滤波器固定在硬件中，并具有固定的建立时间。对于系统输入端的快速变化模拟信号，模拟滤波器输出误差主要取决于其缓慢建立。例如，如果系统输入每40 ms改变一次满量程，则滤波器输出的建立速度不会接近正确值的1%。对于慢速输入信号，模拟滤波器输出误差主要取决于其抑制HART FSK信号的低频分量的能力。对于典型的HART命令3消息，该误差约为4 mA至20 mA满量程的0.09%。

另一方面，数字sinc3滤波器的建立时间是用户设置的参数，由HART FSK信号引起的滤波器输出误差与滤波器设置相对应。例如，前面讨论的具有400 Hz陷波的sinc3滤波器对应于7.5 ms的建立时间，当与HART命令3通信时，模数结果中测得的干扰小于4 mA至20 mA满量程的0.4%。在具有四个模拟输入的系统中，sinc3滤波器在通道之间按顺序切换。具有 400 Hz 陷波的相同 sinc3 滤波器现在需要 4 × 7.5 = 30 ms 来扫描所有四个通道。这就是为什么该图在30 ms时显示4通道系统相同的~0.4%误差。

对于更精确的4 mA至20 mA输入，sinc3滤波器可以设置为30 ms建立，对应于100 Hz陷波，并将HART信号抑制到满量程的0.1%以下。如果系统中更重视速度，则建立时间为6 ms（~500 Hz陷波）的sinc3滤波器仍可抑制低于4 mA至20 mA满量程0.5%的HART通信信号。如果速度是唯一要求且不需要HART通信，则本例中使用的AD7173可以采样超过31 kSPS，每通道建立时间为161 μs。

总之，传统的模拟低通滤波器更容易理解，而且，对于电路板上每个通道多几个元件的价格，在某些情况下，在多通道系统中实现时可能会提供更好的模拟输入性能。另一方面，集成在∑∆ADC上的数字sinc3滤波器具有极大的灵活性，可以一直提供给终端系统用户。数字解决方案需要较少的硬件，如果设置得当，其在滤波HART FSK信号方面的性能明显优于单通道系统中的模拟解决方案，并且在多达4通道系统中具有可比性或更好。

审核编辑：郭婷