HART电路优化设计，ADI的参考设计

《HART电路优化设计——ADI的参考方案》 HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议是一种在工业自动化领域广泛应用的通信标准，它允许在传统的4mA至20mA模拟电流环路中同时传输模拟信号和数字信息，实现了传感器和执行器之间的双向通信。这种技术极大地提升了设备的监测与维护效率，尤其是在现场设备无需断开的情况下。 在设计支持HART功能的电流输入电路时，主要挑战在于如何在保持4mA至20mA模拟信号不受影响的同时，实现HART的1.2kHz/2.2kHz FSK调制信号的传输。传统的HART FSK发送电路如图1所示，其中，Rsense将电流环路信号转化为电压，而HART FSK信号通过C1耦合至环路。为了解决HART不发送信号时对4mA至20mA信号的影响，通常会使用开关SW1和缓冲器配合，以在不发送时提高环路阻抗。 然而，这样的设计存在一些问题。例如，开关可能需要双极性电源，或者需要较大的音频变压器来隔离，这都可能导致电路板空间的占用增加和成本上升。此外，三态缓冲器虽可作为备选方案，但同样可能需要双极性电源。 针对以上问题，ADI提出了一种优化的HART FSK发送电路设计，如图2所示。在这个改进的设计中，AD5700 HART调制解调器的内置驱动能力足够直接驱动电流环路，无需外部缓冲器。当调制解调器不发送信号时，其FSK输出将处于0.75V的高阻状态，通过R2和R3的组合提供更强的偏置，同时保持足够的输入阻抗，确保了HART信号的稳定传输。 为了保证4mA至20mA信号的精度，电路采用了R1、R2和R3构成的高通滤波器，可以应对最坏情况下的输入信号波动，如25Hz、200Ω Rsense时的±16mA变化。这一设计使得系统能够在单极性电源（最低1.62V）下运行，同时满足HART调制解调器的最小供电需求。 另外，为了维持足够的输入阻抗，250Ω的输入电阻被分成了50Ω和200Ω，以确保交流输入阻抗大于230Ω。若需要进一步提高输入阻抗，可以通过增大R2和R3的值来实现。虽然在FSK发送路径中增加了50Ω电阻会轻微衰减FSK信号，但依然满足HART规范的要求。 考虑到电流环路的特性，部分电流会流经C1、R2和R3，但只要这个电流引起的误差小于0.1%，即不超过7倍时间常数（τ）的误差，就可认为是可接受的。在25Hz的4mA至20mA模拟信号条件下，这个条件是满足的，因此附加的电流测量误差始终小于0.1%。 ADI提供的HART电路优化设计巧妙地解决了在有限的空间和成本预算下实现高效HART通信的问题，不仅简化了电路结构，还确保了模拟信号和数字信号的准确传输，是工业自动化领域的一个重要参考。