【導讀】模擬電路在工業環境中是很常見的。雖然在模擬電流環路中基本信號調制相同，但是帶寬是存在明顯差異的。本文介紹了使用HART的兼容性來簡化模擬電流環路設計的經典方案。在允許的模擬電流環路內，實現了數字通信。
在工廠環境中，4mA至20mA模擬電流環路很常見。雖然各種應用中的基本信號調制均相同，但帶寬要求卻有很大的不同。工廠控制系統可能需要幾百Hz環路帶寬(來自位置和位移傳感器)，而典型的過程控制系統僅需幾Hz更新速率，且一般都支持HART(可尋址遠程傳感器高速通道)。HART協議允許在傳統的模擬4mA至20mA電流環路內實現雙向1.2/2.2 kHz FSK(頻移鍵控)調制數字通信。設計同時滿足兩種情況的4mA至20mA輸入可能會有一定難度。圖1中的電路圖是一個支持HART的模擬輸入的傳統部署方法。
圖1：集成無源濾波器且支持HART的輸入。
圖中，R1和RSENSE組成一個250Ω系統端接阻抗。HART FSK信號從該處到HART調制解調器為交流耦合。通過精密100Ω的RSENSE電阻，將4mA至20mA模擬信號轉換為0.4V至2V信號。然后，模擬低通濾波器衰減模擬信號中的HART FSK成分，接著將其輸入ADC。二階低通模擬濾波器帶寬為25Hz，滾降為-40dB/十倍頻程。該電路符合HART規范，可將HART FSK信號衰減至4mA至20mA滿量程以下超過-60dB電平，確保HART FSK通信輸入擾動不超過0.1%。
另一方面，該模擬低通濾波器在系統輸入端的滿量程跳變之后，建立至0.1%以內需大約70ms。這種較長的建立時間和低帶寬性能不適合要求高速工作且不需要HART通信的系統。確實可以旁路模擬濾波器，但需要額外的模擬電路，比如開關或多路復用器。圖2顯示了支持HART的模擬輸入的替代方案。
圖2：支持HART的靈活帶寬輸入。
與上一個電路類似，HART FSK信號交流耦合至250Ω輸入阻抗，而4mA至20mA信號通過100Ω的精密RSENSE電阻轉換為0.4V至2V信號。然而本電路中，一個輕度的低通濾波器將信號帶寬限制為27kHz左右，以便為系統提供免疫性和電磁兼容性(EMC)。系統輸入端滿量程跳變后，濾波器在40μs時間內建立至0.1%。
信號會被傳遞到帶有內置數字濾波器的Σ-Δ型ADC，比如 ADI公司的AD7173。數字濾波器可編程設置為較慢的工作速度模式和最優HART FSK信號抑制模式，或者在要求快速模擬輸入時設置為快速工作模式。
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AD7173支持多種工作模式。其中一種模式適合用來抑制HART FSK信號，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)時提供深濾波器陷波并可在較高頻率(2.2kHz)時提供大幅衰減的分數頻率。圖3中的曲線顯示該數字濾波器的頻率響應，及其與圖1中模擬濾波器的比較。
圖3：集成無源濾波器且支持HART的輸入。
不幸的是，真實情況遠沒有那么簡單。當一條完整的消息經過HART發送后，HART FSK調制信號頻譜不僅在基頻調制頻率處包含電能，且在1.2kHz與2.2kHz載波之間、下方和上方包含頻率分量。圖4顯示了HART FSK消息在ADC輸入端的典型頻譜，以及通過SINC3濾波器以400Hz陷波衰減時的頻譜。本例中，主機發送HART命令3，從機響應該命令。
圖4：HART消息頻譜。
由圖4可以看出，HART消息的一部分(尤其在較低頻率處)依然可以出現在A/D輸出數據中。也就是說，可以輕松更改數字濾波器設置，以便實現HART FSK采樣輸入速度和抑制之間的正確平衡。圖5顯示了系統性能，其測量值在4mA至20mA滿量程范圍內以百分比誤差表示，同時比較模擬濾波器(圖1)和SINC3數字濾波器(圖2)的系統速度。
圖5：SINC3濾波器與模擬濾波器。
模擬濾波器在硬件中固定，并具有固定的建立時間。對于系統輸入端的快速變化模擬信號而言，模擬濾波器輸出誤差由其較慢的建立時間決定。例如，如果系統輸入每40ms改變滿量程，則濾波器輸出不會建立至正確值1%以內。對于較慢的輸入信號而言，模擬濾波器輸出誤差由其抑制HART FSK信號低頻分量的能力決定。對于典型HART命令3消息而言，該誤差測量值約為4mA至20mA滿量程的0.09%。
此外，數字SINC3濾波器的建立時間是一個用戶設置的參數，濾波器輸出誤差是由于HART FSK調制對應的濾波器設置決定的。例如，400 Hz陷波的SINC3濾波器對應7.5ms建立時間，當傳輸HART命令3時，A/D上測得的擾動不足4mA至20mA滿量程的0.4%。在具有四個模擬輸入的系統中，SINC3濾波器在通道之間順序切換。同樣的400Hz陷波SIN3濾波器現在需要4×7.5= 30ms才能掃描全部四個通道。這便是四通道系統的曲線在30ms處均顯示出約為0.4%誤差的原因。
對于更精確的4mA至20mA輸入而言，SINC3濾波器可設為30ms建立時間，該設置對應100Hz陷波且將HART信號抑制在不足滿量程的0.1%。如果速度更為重要，則6ms建立時間(約500Hz陷波)的SINC3濾波器依然可以將HART通信信號抑制在4mA至20mA輸入的0.5%以下。此外，如果只要求速度且無需進行HART通信，則前文提及的AD7173能夠以每通道161μs的建立時間達到3 ksps的采樣速率。
傳統的模擬低通濾波器較容易理解，而某些情況下，每通道略為增加幾個元器件可在多通道系統中實現較好的模擬輸入性能。另一方面，Σ-Δ型ADC的集成數字SINC濾波器具有極大的靈活性，而這種靈活性是一路直到終端系統用戶都可提供的。數字解決方案所需硬件較少，并且若設置得當，則其在HART FSK信號濾波性能方面優于單通道系統中的模擬解決方案，而與最多四通道的系統相比具有接近或更佳的性能。
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