基于AD5700和AD5420的4-20mA HART解决方案

在工业过程控制领域，4 - 20mA通信已经使用多年，它可靠且抗干扰能力强，但只能进行单向单变量通信。而HART（Highway Addressable Remote Transducer）标准的出现，实现了在4 - 20mA模拟信号基础上的双向数字通信，为工业控制带来了更多功能，如远程校准、故障查询和额外过程变量传输等。今天我们就来详细探讨基于AD5700和AD5420构建的完整4 - 20mA HART解决方案。

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一、电路概述

1. 主要器件

• AD5700：业界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC调制解调器，AD5700 - 1还提供0.5%精度的内部振荡器，可节省空间。
• AD5420：16位电流输出DAC，能将各种输入信号（如RTD、TC和欧姆信号）转换为可扩展的4 - 20mA模拟输出信号。

2. 电路功能与优势

该电路使用AD5700和AD5420构建了一个完整的HART兼容4 - 20mA解决方案，适用于线供电变送器应用。电路符合HART物理层规范，如模拟变化率和静默期间噪声规范等。

二、电路详细描述

1. 电路连接

AD5700的HART_OUT信号经过衰减和交流耦合后输入到AD5420的RSET引脚。若不使用外部RSET电阻，可参考应用笔记AN - 1065中通过CAP2引脚连接AD5420和AD5700的方法。本文介绍的方法虽需使用外部RSET电阻，但电源抑制性能更好。

2. 外部组件值的确定

• 电容C1和C2：可与AD5420的数字压摆率控制功能配合使用，控制IOUT信号的压摆率。在确定电容值时，要确保调制解调器的FSK输出信号无失真传输，即带宽要能通过1200Hz和2200Hz频率。
• 低通和高通滤波电路：由(R{H})、(C{L})、(C_{H})和C1以及AD5420的内部电路组成。计算这些组件值时，低通和高通频率截止点目标分别为>10kHz和<500Hz。
• 信号衰减：调制解调器输出的FSK信号需衰减，以实现1mA峰 - 峰电流信号。假设调制解调器输出幅度为500mV峰 - 峰，需通过(R{H})和(C{L})将其衰减3.33倍。

三、HART合规性测试

1. 静默期间输出噪声

当HART设备不传输信号（静默）时，不应在HART扩展频段向网络耦合噪声。通过连接HCF_TOOL - 31滤波器和真有效值表测量500Ω负载上的电压噪声，AD5420输出电流设置为4mA、12mA和20mA时，测量结果均符合要求。

2. 模拟变化率

该规范确保设备调节电流时，模拟电流的最大变化率不干扰HART通信。通过编程AD5420输出从4mA到20mA的循环波形，使用AD5420的外部电容和数字压摆率控制功能可降低变化率，满足HART规范要求。

四、瞬态电压保护

工业控制环境中，I/O电路可能会受到高瞬态电压影响。为保护AD5420，可使用外部功率二极管和浪涌电流限制电阻，还可使用瞬态电压抑制器（TVS）。同时，在许多过程控制应用中，需要在控制器和被控单元之间提供隔离屏障，可使用Analog Devices的iCoupler系列产品。

五、常见电路变体

• AD5422：类似于AD5420，但具有电压输出通道和电流输出通道，适用于PLC/DCS类型应用。
• AD5755 - 1：适用于多通道需求，具有创新的片上动态功率控制功能，可最小化电流模式下的封装功耗。
• AD5421和AD5700：可组合实现环路供电的4 - 20mA HART解决方案。

六、电路评估与测试

1. 所需设备

包括CN - 0270评估板、评估板软件、J - Link OB仿真器、PC、10.8V至36V电源、数字测试滤波器、500Ω负载电阻和示波器等。

2. 测试内容

进行静默期间输出噪声测试和模拟变化率测试，通过设置AD5420的输出电流和压摆率设置，使用示波器测量输出噪声和波形，确保符合HART规范。

七、总结

基于AD5700和AD5420的4 - 20mA HART解决方案为工业过程控制提供了可靠的双向数字通信能力。通过合理选择外部组件和进行合规性测试，可确保电路满足HART物理层规范。同时，多种电路变体可满足不同应用需求。电子工程师在设计类似电路时，可参考本文内容，根据实际需求进行调整和优化。大家在实际应用中遇到过哪些相关问题呢？欢迎在评论区分享交流。