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利用HART相容性滿足4mA至20mA電流輸入頻寬需求

上網時間: 2015年07月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:HART  類比電流迴路  寬頻輸入  濾波器 

Michal Brychta、Derrick Hartmann,ADI工業自動化部門系統應用工程師

在工廠環境中常見4mA至20mA類比電流迴路。雖然各種應用中的基本訊號調變均相同,但頻寬要求卻有很大的不同。工廠控制系統可能需要幾百Hz迴路頻寬(來自定位和位移感測器),而典型的製程控制系統僅需幾Hz更新速率,而且一般都支援HART(可定址遠端感測器高速通道)。HART協議允許在傳統的類比4mA至20mA電流迴路內實現雙向1.2/2.2kHz FSK(頻移鍵控)調變數位通訊。設計一種同時滿足兩種情況的4mA至20mA輸入可能存在一定難度。圖1中的電路圖是一個支援HART類比輸入的傳統部署方法。


圖1:支援被動濾波器的HART輸入。

在圖1中,R1和RSENSE形成一個250Ω系統端接阻抗。HART FSK訊號從該處交流(AC)耦合到HART數據機。透過精密的100Ω RSENSE電阻,可將4mA至20mA類比訊號轉換為0.4V至2V訊號。然後,類比低通濾波器衰減類比訊號中的HART FSK成分,接著將其輸入ADC。二階低通類比濾波器頻寬為25Hz,滾降為-40dB/十倍頻程。該電路符合HART規格,可將HART FSK訊號衰減至4mA至20mA滿量程以下超過-60dB電平,確保HART FSK通訊輸入擾動不超過0.1%。

另一方面,該類比低通濾波器在系統輸入端的滿量程步級之後,建立至0.1%以內需大約70ms。這種較長的建立時間和低頻寬性能不適合要求高速工作且不需要HART通訊的系統。類比濾波器確實可加以旁路,但需要額外的類比電路,如開關或多工器。圖2顯示支援HART的類比輸入替代方案。


圖2:支援HART的彈性頻寬輸入。

與上一個電路類似,HART FSK訊號AC耦合至250Ω輸入阻抗,而4mA至20mA訊號通過100Ω的精密RSENSE電阻轉換為0.4V至2V訊號。然而在本電路中,一個輕度的低通濾波器將訊號頻寬限制為27kHz左右,以便為系統提供抗干擾性和電磁相容性(EMC)。系統輸入端滿量程步級後,濾波器在40us時間內建立至0.1%。

訊號會被傳遞到帶有內建數位濾波器的Σ-Δ型ADC,如ADI公司的AD7173。數位濾波器可編程設計設置為較慢的工作速度模式和最佳化HART FSK訊號抑制模式,或者在要求快速類比輸入時設置為快速工作模式。

AD7173支援多種工作模式。其中一種模式適合用來抑制HART FSK訊號,將SINC3濾波器的陷波頻率設為400Hz,或者可在較低HART FSK頻率(1.2kHz)時提供深次濾波器陷波,並可在較高頻率(2.2kHz)時提供大幅衰減的分數頻率。圖3中的曲線顯示該數位濾波器的頻率回應,以及其與圖1類比濾波器的比較。


圖3:整合被動濾波器的HART輸入。

(下一頁繼續:真實情況並沒那麼簡單)


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