數(shù)據(jù)轉換由24位Σ-Δ模擬至數(shù)字轉換器(ADC) AD7173-8 來完成。AD7173-8可由軟件配置，允許8路全差分或16路單端輸入通道，通過內置交叉多路復用器提供極大的靈活性。AD7173-8采用小型6 mm × 6 mm LFCSP封裝，是空間尺寸受限場合下的一個理想選擇。內部時鐘和精密2.5 V電壓基準減少了外部組件，進一步節(jié)省了空間。四個可編程通用輸出引腳(GPIO0，GPIO1，GPO2，GPO3)允許控制外部多路復用器，因此可以控制切換多路HART接口，從而減少從處理器/控制器的額外連線。AD7173-8具有內部校準寄存器，可以編程來提供全輸入路徑上的偏置和增益校準。

AD5700-1是業(yè)內最低功率、最小封裝、HART兼容的調制解調器，與電流輸入通道一起形成HART兼容的，4 mA到20 mA接收器解決方案。AD5700-1包括一個內部精密振蕩器，可以額外節(jié)省空間，尤其是在隔離應用中。

ADG704 多路復用器提供多路電流輸入通道與HART之間的連接。

ADuM5211將兩個數(shù)據(jù)通道(Tx，Rx)隔離，并且通過集成的isoPower?技術提供了5 V電源隔離。 ADuM3151 PIsolator提供串行外圍接口(SPI)隔離，時鐘速率可以高達17 MHz(B級)，同時可隔離三個附加的數(shù)據(jù)通道。

ADP2441 是36 V，降壓調節(jié)器，可接受工業(yè)標準24 V電源供電，具有寬輸入電壓。ADP2441將輸入電壓降至5 V，為所有控制器側電路供電。該電路還包括標準24 V輸入端外圍保護。

 

圖1. PLC/DCS四通道電壓和電流輸入前端(簡化原理圖：未顯示所有連接及去耦電路)

電壓輸入電路

圖2顯示通道1的電壓輸入網(wǎng)絡。 

電流輸入電路

圖3顯示通道1的電流輸入網(wǎng)絡。

 

圖3.電流輸入等效電路(簡化)

 
該電路具有四個電流輸入的通道，支持最大輸入范圍0 mA到24 mA。電路輸入阻抗是250 Ω，輸入?yún)⒖紴榈?。使用一個100 Ω精密電流檢測電阻，因此24 mA輸入產(chǎn)生2.4 V，在AD7173-8的2.5 V(使用內部的2.5 V電壓參考)輸入范圍之內。評估板默認安裝電阻為0.1%，10 ppm/°C電阻。

ADC輸入分為兩個輸入路徑?？焖佥斎肼窂接糜诓皇褂肏ART的通道，低速輸入路徑用于使用HART的通道。

快速輸入路徑允許Σ-Δ ADC的信號輸入全帶寬的信號。也可能使用內部sinc濾波器濾除1.2 kHz和2.2 kHz的HART頻率。然而，使用sinc濾波器需要在400 SPS數(shù)據(jù)速率(sinc3濾波器篩選)下運行相關通道，這將增加所有四個通道所需的轉換時間。

慢輸入通道包含16 Hz雙極點濾波器，濾掉1.2 kHz和2.2 kHz的HART數(shù)字信號頻率。使用此輸入，Σ-Δ ADC可以仍然運行在快速數(shù)據(jù)速率下，同時濾除HART數(shù)字信號頻率。所有四個通道的轉換時間不會增加。如果所有通道的HART不全使能，ADC運行在快速數(shù)據(jù)率下尤其有用。

表2中總結了電流輸入線路參數(shù)。

表2.電流輸入線路參數(shù)(基于最壞情況計算的最大值)

參數(shù)	數(shù)值	單位	測試條件/注釋
輸入阻抗	250	?	接地
源自電阻的誤差	N/A1	%FSR max	每個RSENSE 電阻規(guī)格
源自電阻漂移的誤差	N/A1	ppm/°C max	每個 RSENSE 電阻規(guī)格
源自基準漂移的誤差	10	ppm/°C max	內部基準
數(shù)據(jù)速率	31.25 1.55 6.25	kSPS kSPS SPS	使能1輸入(14.8位無噪聲編碼分辨率，用于0 mA到20 mA) 4個通道，每通道完全穩(wěn)定，sinc5+1的濾波(14.8位峰峰值分辨率，用于0 mA到20 mA) 4個通道，每通道完全穩(wěn)定，50 Hz/60 Hz抑制(18.1位峰峰值分辨率，用于0 mA到20 mA)
輸入濾波器	27 16	kHz Hz	快速輸入 提供HART濾波的低速輸入

¹ N/A = 不適用


HART輸入和輸出電路

圖4顯示了HART輸入和輸出電路。

圖4. HART輸入與輸出電路(簡化)

HART的功能是在四個電流輸入通道間進行復用。通過兩個 ADG704 多路復用器(圖4中SW1和SW2)，實現(xiàn)HART輸入和輸出網(wǎng)絡在四個通道上共享。

HART輸入電路由R3、C1、C2、R4、R5組成的HART帶通濾波器組成。AD5700-1 的數(shù)據(jù)手冊有此濾波器的描述。每個通道使用一個開關(SW1)來將HART輸入線路切換到HART激活通道。每個通道上都有一個150 kΩ的電阻(R3)，它是帶通濾波器的一部分，同時給開關SW1提供了額外的保護。HART輸入直接連接到電流輸入端，以確保AD5700-1的ADC_IP引腳可以接收到正確的電壓電平。

每個通道使用一個開關SW2來將HART輸出線路切換到激活通道。電容C3用來耦合HART信號。需要仔細選擇R1、C3、R6，R7的組合，以確保AD5700-1的HART_OUT引腳的電壓在25 Hz、4 mA至20 mA的輸入信號(對于HART使能器件，代表最快的可允許速率)下不低于GND。

圖5.供電電路(簡化原理圖：未顯示所有的連接)

 

電源電路

評估板由5.5 V至36 V直流電源供電，并使用板上開關穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供5 V電壓，如圖5所示。在測試設置中，5 V電壓為 EVAL-SDP-CB1Z 演示平臺(SDP)評估板供電。EVAL-SDP-CB1ZSDP板提供VIO的3.3V電壓。

即使使用小尺寸電感，ADP2441 的高開關頻率也能夠提供最小的輸出電壓紋波。電感尺寸的選擇需要在效率和瞬態(tài)響應之間權衡。小電感會引起大的電感電流紋波，可提供良好的瞬態(tài)響應，但效率會降低。由于ADP2441的高開關頻率，建議使用屏蔽的鐵氧體磁芯電感，因為此類電感的鐵芯損耗和電磁干擾(EMI)都低。

圖5電路中，開關頻率大約為1 MHz，由88.7 kΩ外部電阻設定。12 μH的電感(線藝LPS6235-123MLC)是按照ADP2441數(shù)據(jù)手冊的表8進行選擇的。

該電路通過螺絲端子連接到5.5 V至36 V的供電電源。EARTH端可以與外部的大地連接，不使用外部接地時刻連接至GND端子。

功率電感(DR73-102-R)，壓敏電阻(V56ZA3P，56 V)，功率二極管(S2A-TP，50 V)和一個1.1 A的保險絲提供額外的輸入電壓瞬變保護。

噪聲測試

短接每個通道的輸入端子進行系統(tǒng)噪聲的評估，這樣會使得每個輸入通道的差分電壓為零，且每個電流輸入通道的輸入接地。輸入短路時采集數(shù)據(jù)，從樣本數(shù)中計算代碼的分布和無噪聲編碼分辨率。

可使用 CN-0364 評估軟件來進行噪聲試驗?？梢缘玫矫總€通道代碼的分布和無噪聲編碼分辨率，數(shù)據(jù)顯示在直方圖中。圖6直方圖是由通道1電壓輸入采集的樣本數(shù)據(jù)。

圖6.通道1電壓輸入、輸入短路，偏置到參考電壓，31.25 kSPS，Sinc5+1濾波器，2000個采樣(15.8位無噪聲編碼分辨率)

HART測試

HART功能進行測試按照HART物理層測試規(guī)范(HCF-試驗-2)進行。該電路滿足HART物理層的要求。有關HART規(guī)格的更多細節(jié)可以直接從HART通信基金會獲取。

ADC輸入對HART 1.2 KHz和2.2 KHz信號的抑制進行了測試。表3顯示測試結果。

表3. 1.2KHz和2.2 KHz HART頻率的抑制

操作模式	頻率(kHz)	抑制(dB)
低速輸入路徑，31 kSPS Sinc5 + 1濾波	1.2 2.2	60.5 66.5
快速輸入路徑，400 SPS Sinc3濾波	1.2 2.2	≥74.4 66.6

EVAL-CN0364-SDPZ 評估板的完整設計支持包，包括原理圖、BOM和布局，可以從 www.analog.com/CN0364-DesignSupport下載。