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用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计

上网日期: 2013年01月05日 ?? 作者: Thomas Kugelstadt ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:HART发送器? 运算放大器? 电流环路设计?

利用可寻址远程传感器数据通路(HART)协议,过程测量与控制器件可通过传统4-20mA电流环路实现通信。这种协议使用1200 Hz和2200 Hz频率的移频键控(FSK)。此处,一个 1200Hz周期代表一个逻辑1,而两个2200Hz周期代表逻辑0。由于FSK波形的平均值始终为0,因此模拟4-20mA信号不受影响。

理想情况下,FSK信号由叠加在DC测量信号上的两个频率正弦波组成。但是,相连续FSK正弦波的生成是一种十分复杂的过程。因此,为了简化HART信号波形的生成过程,HART规范的物理层对参数极限值进行了定义,标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。在这种情况下,一种梯形波形非常适合于这种应用,图1显示了其各个极限值。

用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计(电子工程专辑)
图1:梯形HART电流波形的最小与最大值

图2所示HART发送器提供了一种简单且低成本的解决方案,其产生一个梯形HART波形,并将它叠加在一个可变DC电平上,最终把产生的输出电压转换为电流环路。

用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计(电子工程专辑)
图2:低成本HART发送器

HART FSK信号(常常由本地微控制器单元[MCU]生成),被应用于首个NAND栅极(G1)的输入端。MCU的通用I/O端口的第二个输出,起到一个有效高态“激活”(ENABLE)信号的作用。G1控制两个远端NAND栅极(G2和G3),其输出通过高阻抗分压器R1和R2连接到一起。

由R4和R5组成的第二个分压器,将5V电源分为一个VREF = VCC/2的基准电压,即2.5V。只要“激活”为低电平,G2的输出便为低态,而G3输出为高态。由于高阻抗负载,NAND输出拥有轨到轨功能;R1=R2 时,A1非反向输入VIN的输入电压也为2.5V。

当“激活”为高态时,G2和G3输出相互换相,从而在VIN下形成一个小方波,其围绕VREF对称摆动。VIN的峰值到峰值振幅为:


VS为正5V电源,而R1|| R2为R1和R2的并联组合。


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