采用低功耗、精密、24位、Σ-Δ型ADC的隔離式4 mA至20 mA/壓力工業變送器
2024-11-15 14:33:27??????點擊：
1所示的電路是一個隔離式智能工業現場儀表，可連接多種類型的模擬傳感器，如溫度傳感器（Pt100、Pt1000和熱電偶）或橋式壓力傳感器。儀器通過4 mA至20 mA模擬輸出和高速可尋址遠程傳感器（哈特?）接口進行通信。哈特是一種數字雙向通信，其中1 mA峰峰值頻移鍵控（FSK）信號調制在標準4 mA至20 mA模擬電流信號之上。哈特接口允許遠程校準、故障詢問和過程變量傳輸等功能，這些功能在溫度和壓力控制等應用中是必需的。
該電路采用AD 7124 -4，這是一款超低功耗、精密24位、ADC-Δ模數轉換器，具有溫度和壓力系統所需的所有特性。該電路還包括：16位、4 mA至20 mA環路供電數模轉換器（DAC）AD 5421;業界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC調制解調器AD 5700;提供超低功耗串行外設接口（SPI）隔離的ADuM 1441;CMOS開關ADG 5433;以及隔離電源電路中的低功耗3.3 V穩壓器ADP 162。
AD 7124 -4是一款低功耗、低噪聲、完全集成的模擬前端，適合高精度測量應用。該器件內置一個低噪聲、24位、ADC，可配置為4路差分輸入或7路單端或偽差分輸入。片內低噪聲增益級可確保小幅度信號可直接連接到ADC。
AD 7124 -4的主要優勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。功耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可根據所選的電源模式進行調整。該設備還提供多種過濾器選項，確保用戶具有最高程度的靈活性。
當以25 SPS（單周期建立）的輸出數據速率工作時，AD 7124 -4可以同時實現50 Hz和60 Hz抑制。
AD 7124 -4實現了最高程度的信號鏈集成。該器件內置一個精密、低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，還支持一個外部差分基準電壓源，可在內部進行緩沖。其他關鍵集成特性包括可編程低漂移激勵電流源、燒毀電流和偏置電壓發生器，后者可將通道的共模電壓設置為AVDD/2。低端電源開關使用戶能夠在轉換之間關閉橋接傳感器，確保系統的功耗絕對最低。該設備還允許用戶選擇使用內部時鐘或外部時鐘進行操作。
集成通道序列器允許同時使能多個通道，AD 7124 -4在每個使能通道上依次進行轉換，從而簡化與器件的通信。任何時候都可以啟用多達16個通道;通道被定義為模擬輸入或診斷，例如電源檢查或參考檢查。此獨特功能允許診斷與轉換交錯進行。AD 7124 -4還支持單通道配置。該設備允許八種配置或設置。每種配置都包括增益、濾波器類型、輸出數據速率、緩沖和基準源。用戶可以逐個通道地分配這些設置中的任何一個。
AD 7124 -4還集成了廣泛的診斷功能，作為其全面特性集的一部分。這些診斷包括循環冗余校驗（CRC）、信號鏈檢查和串行接口檢查，從而提供更可靠的解決方案。這些診斷減少了對外部元件的需求，從而減少了電路板空間需求，縮短了設計周期，節省了成本。根據IEC 61508，典型應用的故障模式影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分數（SFF）大于90%。
傳感器輸入
該電路通過8針連接器支持3線和4線RTD、熱電偶和壓力傳感器。AD 7124 -4具有與這些傳感器接口所需的所有構建模塊。對于連接的所有傳感器類型，ADC均在中功率模式下使用。使用后置濾波器是因為它在25 SPS下轉換時能夠同時實現50 Hz和60 Hz抑制。當傳感器連接到電路時，ADC配置為適合所連接的傳感器類型。還可以執行內部滿量程和失調校準，以最大限度地減小失調誤差和滿量程誤差，校準由UART或哈特命令啟動。
AD 7124 -4片內集成多種診斷功能，可確保設計的穩健性。在該電路中，開路檢測確保傳感器連接，狀態寄存器中的上電復位（POR）受到監控，以便在上電復位發生時通知用戶。每次轉換都讀取錯誤寄存器，其內容通過哈特沿著傳感器結果發送。
RTD
電阻式溫度檢測器（RTD）可以測量?200°C至+600°C的溫度。典型的RTD是Pt100和Pt1000，由鉑制成。該電路使用Pt100。
4-線RTD
圖2顯示了4線Pt100 RTD如何連接到電路。
AD 7124 -4的一個片內激勵電流激勵Pt 100。Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600°C時）。如果激勵電流編程為250 μA，則Pt100兩端產生的最大電壓為
CN0382 Equation A
當可編程增益陣列（PGA）的增益設置為16時，調制器輸入端的最大電壓為
CN0382 Equation B
一個5.6 kΩ精密電阻（0.05%，10 ppm/°C）產生基準電壓。選擇基準電阻RREF的值，使其兩端產生的電壓在本電路中具有最小值1.25 V，也就是說，由于模擬輸入，調制器輸入端的電壓小于或等于基準電壓。為Pt 100供電的250 μA電流也流經5.6 kΩ電阻，從而形成比率配置。因此，激勵電流的任何變化對電路的性能沒有影響。精密電阻器兩端產生的電壓為
CN0382 Equation C
模擬輸入和基準電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調制器采樣頻率倍數處的任何干擾混疊進入目標頻帶。為確保這些濾波器和外部電阻不會導致增益誤差，基準電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能。基準電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內為100 mV）。因此，在低壓側包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。
250 μA激勵電流需要370 mV裕量。此引腳上的電壓為（470 + 5600 + 313.71）Ω × 250 μA = 1.6 V，可以接受。
AIN4和AIN5引腳用作AINP和AINM模擬輸入。
連接器引腳上的1 kΩ電阻具有雙重用途：它們組成抗混疊濾波器，并且在發生過壓（例如，由于布線錯誤）時保護模擬輸入。
電路筆記CN-0383提供了有關4線式Pt100傳感器與AD 7124 -4接口以及轉換線性化或后處理的更多詳細信息。
圖1所示電路還支持4線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100所用的相同。所用ADC配置如本節前面所述，但PGA增益設置為1。
3-線RTD
圖3顯示了三線制Pt100 RTD如何連接到電路。
圖3. 3-線RTD
AD 7124 -4具有兩個匹配的激勵電流。兩者都與3線RTD一起使用，以便可以執行引線補償。由于Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600 °C時），因此激勵電流編程為250 μA?；鶞孰娮鑂REF連接在頂部。因此，一個250 μA激勵電流（IOUT 0）在引腳AIN 6上輸出，流經5.6 kΩ精密基準電阻（0.05%，10 ppm/°C），然后流經Pt100。第二個250 μA電流（IOUT 1）通過引腳AIN 7輸出。該電流由于引線電阻而產生電壓，該電壓與由于AIN 6上的電流而產生的引線電阻電壓相反。因此，由于引線電阻引起的誤差被最小化。
5.6 Ωk基準電阻上產生的電壓為
CN0382 Equation D
Pt100兩端產生的最大電壓為
CN0382 Equation E
當PGA設置為增益16時，在AD 7124 -4調制器處觀察到的電壓為
CN0382 Equation F
此電壓在范圍內，因為它小于參考電壓。
模擬輸入和基準電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調制器采樣頻率倍數處的任何干擾混疊到目標頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不會導致增益誤差，基準電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能?；鶞孰妷壕彌_器需要一定的裕量（電源軌內為100 mV）。因此，在低壓側包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。
對于電壓激勵架構，AVDD（3.3 V）激勵傳感器。如果AVDD用于激勵稱重傳感器，則激勵電壓可直接用作ADC參考。請注意，在傳感器的高端和低端添加了一個電阻，以確保滿足AD 7124 -4緩沖器的裕量要求。使用的增益為16。
對于電流激勵模式，AD 7124 -4的兩個100 μA激勵電流均指向引腳AIN 6，從而為傳感器提供200 μA激勵電流。再次將增益設置為16?；鶞孰妷涸从梢粋€5.6 kΩ精密電阻產生。這種布置導致比率配置，即勵磁電流值的任何偏差對系統精度沒有影響。
該電路板包括將傳感器低端連接到GND或AD 7124 -4電源開關的選項。
如前所述，模擬輸入和基準電壓輸入具有抗混疊濾波器，可抑制ADC采樣頻率倍數時產生的任何干擾。如果出現過壓，串聯電阻器也會限制電流。
主要傳感器模擬
該電路包括一個電阻網絡和電位計，用于傳感器模擬（圖1所示的主傳感器模擬電路）。利用電位計，施加在AIN 0（AINP）和AIN 1（AINM）之間的電壓可在約?0.09 V至約+1.36 V范圍內變化。該電路使用內部基準電壓源進行轉換; AD 7124 -4增益設為1，模擬輸入緩沖器使能。這種配置允許用戶評估電路，而無需連接外部傳感器。
數字數據處理、算法和通信
演示軟件（包含在CN-0382設計支持包中）執行初始化和配置，處理模擬輸入數據，控制模擬輸出，并執行哈特通信。所有提到的傳感器都需要線性化或補償。該線性化在軟件中執行。有關RTD和熱電偶傳感器以及所需線性化的更多詳細信息，請參見電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384
哈特通信
AD5700集成了完整的哈特FSK調制解調器。調制解調器通過標準的UART接口連接到微控制器，并通過請求發送（RTS）和載波檢測（CD）信號進行補充。
哈特輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器縮放至所需幅度，并耦合至AD 5421 CIN引腳，在此與DAC輸出結合，以驅動和調制輸出電流。
哈特輸入通過一個簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合到AD 5700 ADC_IP引腳。RC濾波器作為哈特解調器的第一級帶通濾波器工作，還提高了系統的電磁抗擾度，這對于在惡劣工業環境中工作的魯棒應用非常重要。
AD5700低功耗振蕩器利用直接連接到XTAL 1和XTAL 2引腳的3.6864 MHz外部晶振為哈特調制解調器生成時鐘。
輸出保護
瞬態電壓抑制器（TVS）可保護4 mA至20 mA哈特接口免受過壓影響。選擇TVS額定電壓，使其不超過AD 5421 REGIN引腳上的絕對最大電壓60 V。請注意，TVS漏電流會影響電流輸出精度;因此，在選擇此器件時，請注意給定環路電壓和溫度范圍下的漏電流。
外部耗盡型FET可與AD5421配合使用，以提高環路電壓最大值。
該電路由一對與環路輸出串聯的二極管提供反極性保護。
與環路串聯的鐵氧體磁珠以及4700 pF電容可提高系統EMC性能。由于哈特網絡規范，請勿在回路端子之間使用較高的電容。
4.7 V低泄漏齊納二極管可在AD5421 COM引腳與LOOP?引腳之間出現意外外部電壓時（例如，調試電路時）保護片內50 Ω環路檢測電阻。
電源和電源管理
整個現場儀表電路（包括傳感器驅動電流）必須在4 mA至20 mA環路的有限可用功率下工作。這是任何環路供電現場儀表設計中的常見挑戰。圖1中的電路提供了一個同時提供低功耗和高性能解決方案的示例。該應用中使用的所有集成電路均為低功耗設計，該電路利用其集成特性提供靈活的電源管理結構和最佳環路供電解決方案。
AD 5421由4 mA至20 mA環路電壓供電，并為電路的其余部分提供穩壓低電壓。根據電路要求，AD 5421 REGOUT電壓可在1.8 V至12 V范圍內進行引腳編程。圖1中的電路使用9 V電源電壓選項。傳感器側通過簡單的推挽式DC-DC轉換器與4-20 mA環路隔離。ADG 5433由微控制器提供時鐘，產生9 V非重疊方波，驅動一個Transformer。Transformer工作電壓比為2：1。副邊的4.5 V電壓由ADP 162整流和調節，為AD 7124 -4提供低噪聲3.3 V電源。AD 7124 -4的模擬和數字3.3 V電源均由ADP 162調節器供電。然而，包括濾波器（L1/R19）以防止來自數字電路的噪聲被饋送到模擬部分。
AD5421在環路側提供3.3 V邏輯電源。微控制器和AD5700直接使用該電源。
REGOUT RC濾波器（10 μF/10 Ω/10 μF）有助于防止來自環路的任何干擾影響模擬電路。它還可防止電路（特別是控制器和數字電路）產生的任何干擾耦合回環路，這對于可靠的哈特通信非常重要。
AD 5700哈特調制解調器通過一個附加RC濾波器（470 Ω/1 μF）供電。該濾波器在環路供電應用中非常重要，因為它可以防止來自AD 5700的電流噪聲耦合到4 mA至20 mA環路輸出，否則會影響哈特通信。AD 5700調制解調器使用帶8.2 pF電容的外部晶振在XTAL 1和XTAL 2引腳上接地，這是功耗最低的選項。
AD 7124 -4的主要優勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。lt;電流消耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可根據所選電源模式進行調整。因此，對于4 mA至20 mA或便攜式設備，低或中功率模式是最佳選擇。對于功耗不是問題的過程控制系統，可以使用全功率模式，從而降低噪聲。對于該環路供電電路，使用中功率模式。有關電源模式的更多信息，請參見AD 7124 -4數據手冊。
連接壓力傳感器時，AD 7124 -4的PSW接地開關引腳控制激勵/電源。儀器上電時，開關默認關閉。此默認值允許在開啟傳感器之前對系統進行完全配置，包括適當的電源模式，從而最大限度地減少4 mA至20 mA環路輸出上可能出現的上電尖峰。
當連接RTD傳感器時，它由AD 7124 -4的可編程電流源供電，因此其電源完全由軟件控制。同樣，對于熱電偶傳感器，偏置電壓和絕對基準電壓源嵌入在AD 7124 -4中，因此由軟件控制。
軟件
微控制器通過SPI接口與AD 7124 -4和AD 5421連接。它通過UART接口UART 0與AD 5700通信。軟件通過微控制器上的第二個UART接口UART 1下載到微控制器。
啟動時，微控制器配置所有三個器件，AD 7124 -4配置為T型熱電偶。AD 7124 -4工作在連續轉換模式下。因此，其DOUT/RDY引腳也連接到微控制器上的中斷。每當ADC有轉換可用時，微控制器就會產生一個中斷，并讀取轉換結果。然后微控制器對數據進行線性化和處理。結果發送至AD 5421 DAC，通過4 mA至20 mA環路傳輸。用于演示電路功能和性能的軟件包含在CN-0382設計支持包中。該軟件支持本電路筆記中提到的所有傳感器類型。CN-0382設計支持包中還提供了有關如何針對不同傳感器類型更改軟件的文檔以及有關將軟件下載到微控制器的詳細信息。
代碼示例包括一個基本的哈特從機命令響應，以演示硬件功能和能力。然而，代碼示例不包括哈特通信的協議層。AD 7124 -8可用作AD 7124 -4的替代產品。AD 7124 -4和AD 7124 -8具有相同的性能。然而，AD 7124 -8提供8路差分或15路偽差分輸入，因此適合需要高通道數的應用。
AD5421可以通過保護直接連接到環路。也可以在AD5421和環路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖8所示。在此配置中使用附加MOSFET可使AD5421兩端的壓降保持在約12 V，降低AD5421封裝中的功耗，從而提高4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還將環路中允許的最大電壓提高到MOSFET額定值。附加MOSFET對哈特通信沒有影響。
該電路采用AD 7124 -4，這是一款超低功耗、精密24位、ADC-Δ模數轉換器，具有溫度和壓力系統所需的所有特性。該電路還包括：16位、4 mA至20 mA環路供電數模轉換器（DAC）AD 5421;業界功耗最低、尺寸最小的HART兼容IC調制解調器AD 5700;提供超低功耗串行外設接口（SPI）隔離的ADuM 1441;CMOS開關ADG 5433;以及隔離電源電路中的低功耗3.3 V穩壓器ADP 162。
AD 7124 -4是一款低功耗、低噪聲、完全集成的模擬前端，適合高精度測量應用。該器件內置一個低噪聲、24位、ADC，可配置為4路差分輸入或7路單端或偽差分輸入。片內低噪聲增益級可確保小幅度信號可直接連接到ADC。
AD 7124 -4的主要優勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。功耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可根據所選的電源模式進行調整。該設備還提供多種過濾器選項，確保用戶具有最高程度的靈活性。
當以25 SPS（單周期建立）的輸出數據速率工作時，AD 7124 -4可以同時實現50 Hz和60 Hz抑制。
AD 7124 -4實現了最高程度的信號鏈集成。該器件內置一個精密、低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，還支持一個外部差分基準電壓源，可在內部進行緩沖。其他關鍵集成特性包括可編程低漂移激勵電流源、燒毀電流和偏置電壓發生器，后者可將通道的共模電壓設置為AVDD/2。低端電源開關使用戶能夠在轉換之間關閉橋接傳感器，確保系統的功耗絕對最低。該設備還允許用戶選擇使用內部時鐘或外部時鐘進行操作。
集成通道序列器允許同時使能多個通道，AD 7124 -4在每個使能通道上依次進行轉換，從而簡化與器件的通信。任何時候都可以啟用多達16個通道;通道被定義為模擬輸入或診斷，例如電源檢查或參考檢查。此獨特功能允許診斷與轉換交錯進行。AD 7124 -4還支持單通道配置。該設備允許八種配置或設置。每種配置都包括增益、濾波器類型、輸出數據速率、緩沖和基準源。用戶可以逐個通道地分配這些設置中的任何一個。
AD 7124 -4還集成了廣泛的診斷功能，作為其全面特性集的一部分。這些診斷包括循環冗余校驗（CRC）、信號鏈檢查和串行接口檢查，從而提供更可靠的解決方案。這些診斷減少了對外部元件的需求，從而減少了電路板空間需求，縮短了設計周期，節省了成本。根據IEC 61508，典型應用的故障模式影響和診斷分析（FMEDA）顯示安全故障分數（SFF）大于90%。
傳感器輸入
該電路通過8針連接器支持3線和4線RTD、熱電偶和壓力傳感器。AD 7124 -4具有與這些傳感器接口所需的所有構建模塊。對于連接的所有傳感器類型，ADC均在中功率模式下使用。使用后置濾波器是因為它在25 SPS下轉換時能夠同時實現50 Hz和60 Hz抑制。當傳感器連接到電路時，ADC配置為適合所連接的傳感器類型。還可以執行內部滿量程和失調校準，以最大限度地減小失調誤差和滿量程誤差，校準由UART或哈特命令啟動。
AD 7124 -4片內集成多種診斷功能，可確保設計的穩健性。在該電路中，開路檢測確保傳感器連接，狀態寄存器中的上電復位（POR）受到監控，以便在上電復位發生時通知用戶。每次轉換都讀取錯誤寄存器，其內容通過哈特沿著傳感器結果發送。
RTD
電阻式溫度檢測器（RTD）可以測量?200°C至+600°C的溫度。典型的RTD是Pt100和Pt1000，由鉑制成。該電路使用Pt100。
4-線RTD
圖2顯示了4線Pt100 RTD如何連接到電路。
AD 7124 -4的一個片內激勵電流激勵Pt 100。Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600°C時）。如果激勵電流編程為250 μA，則Pt100兩端產生的最大電壓為
CN0382 Equation A
當可編程增益陣列（PGA）的增益設置為16時，調制器輸入端的最大電壓為
CN0382 Equation B
一個5.6 kΩ精密電阻（0.05%，10 ppm/°C）產生基準電壓。選擇基準電阻RREF的值，使其兩端產生的電壓在本電路中具有最小值1.25 V，也就是說，由于模擬輸入，調制器輸入端的電壓小于或等于基準電壓。為Pt 100供電的250 μA電流也流經5.6 kΩ電阻，從而形成比率配置。因此，激勵電流的任何變化對電路的性能沒有影響。精密電阻器兩端產生的電壓為
CN0382 Equation C
模擬輸入和基準電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調制器采樣頻率倍數處的任何干擾混疊進入目標頻帶。為確保這些濾波器和外部電阻不會導致增益誤差，基準電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能。基準電壓緩沖器需要一定的裕量（電源軌內為100 mV）。因此，在低壓側包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。
250 μA激勵電流需要370 mV裕量。此引腳上的電壓為（470 + 5600 + 313.71）Ω × 250 μA = 1.6 V，可以接受。
AIN4和AIN5引腳用作AINP和AINM模擬輸入。
連接器引腳上的1 kΩ電阻具有雙重用途：它們組成抗混疊濾波器，并且在發生過壓（例如，由于布線錯誤）時保護模擬輸入。
電路筆記CN-0383提供了有關4線式Pt100傳感器與AD 7124 -4接口以及轉換線性化或后處理的更多詳細信息。
圖1所示電路還支持4線Pt1000 RTD。電路連接與Pt100所用的相同。所用ADC配置如本節前面所述，但PGA增益設置為1。
3-線RTD
圖3顯示了三線制Pt100 RTD如何連接到電路。
圖3. 3-線RTD
AD 7124 -4具有兩個匹配的激勵電流。兩者都與3線RTD一起使用，以便可以執行引線補償。由于Pt100的最大電阻為313.71 Ω（600 °C時），因此激勵電流編程為250 μA?；鶞孰娮鑂REF連接在頂部。因此，一個250 μA激勵電流（IOUT 0）在引腳AIN 6上輸出，流經5.6 kΩ精密基準電阻（0.05%，10 ppm/°C），然后流經Pt100。第二個250 μA電流（IOUT 1）通過引腳AIN 7輸出。該電流由于引線電阻而產生電壓，該電壓與由于AIN 6上的電流而產生的引線電阻電壓相反。因此，由于引線電阻引起的誤差被最小化。
5.6 Ωk基準電阻上產生的電壓為
CN0382 Equation D
Pt100兩端產生的最大電壓為
CN0382 Equation E
當PGA設置為增益16時，在AD 7124 -4調制器處觀察到的電壓為
CN0382 Equation F
此電壓在范圍內，因為它小于參考電壓。
模擬輸入和基準電壓輸入端包括抗混疊濾波器。這些濾波器可防止調制器采樣頻率倍數處的任何干擾混疊到目標頻帶中。為確保這些濾波器和外部電阻不會導致增益誤差，基準電壓緩沖器使能。模擬輸入緩沖器自動使能，因為這些緩沖器在使用PGA時使能?；鶞孰妷壕彌_器需要一定的裕量（電源軌內為100 mV）。因此，在低壓側包括一個470 Ω電阻，以提供此裕量。
對于電壓激勵架構，AVDD（3.3 V）激勵傳感器。如果AVDD用于激勵稱重傳感器，則激勵電壓可直接用作ADC參考。請注意，在傳感器的高端和低端添加了一個電阻，以確保滿足AD 7124 -4緩沖器的裕量要求。使用的增益為16。
對于電流激勵模式，AD 7124 -4的兩個100 μA激勵電流均指向引腳AIN 6，從而為傳感器提供200 μA激勵電流。再次將增益設置為16?；鶞孰妷涸从梢粋€5.6 kΩ精密電阻產生。這種布置導致比率配置，即勵磁電流值的任何偏差對系統精度沒有影響。
該電路板包括將傳感器低端連接到GND或AD 7124 -4電源開關的選項。
如前所述，模擬輸入和基準電壓輸入具有抗混疊濾波器，可抑制ADC采樣頻率倍數時產生的任何干擾。如果出現過壓，串聯電阻器也會限制電流。
主要傳感器模擬
該電路包括一個電阻網絡和電位計，用于傳感器模擬（圖1所示的主傳感器模擬電路）。利用電位計，施加在AIN 0（AINP）和AIN 1（AINM）之間的電壓可在約?0.09 V至約+1.36 V范圍內變化。該電路使用內部基準電壓源進行轉換; AD 7124 -4增益設為1，模擬輸入緩沖器使能。這種配置允許用戶評估電路，而無需連接外部傳感器。
數字數據處理、算法和通信
演示軟件（包含在CN-0382設計支持包中）執行初始化和配置，處理模擬輸入數據，控制模擬輸出，并執行哈特通信。所有提到的傳感器都需要線性化或補償。該線性化在軟件中執行。有關RTD和熱電偶傳感器以及所需線性化的更多詳細信息，請參見電路筆記CN-0383和電路筆記CN-0384
哈特通信
AD5700集成了完整的哈特FSK調制解調器。調制解調器通過標準的UART接口連接到微控制器，并通過請求發送（RTS）和載波檢測（CD）信號進行補充。
哈特輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器縮放至所需幅度，并耦合至AD 5421 CIN引腳，在此與DAC輸出結合，以驅動和調制輸出電流。
哈特輸入通過一個簡單的無源RC濾波器從LOOP+耦合到AD 5700 ADC_IP引腳。RC濾波器作為哈特解調器的第一級帶通濾波器工作，還提高了系統的電磁抗擾度，這對于在惡劣工業環境中工作的魯棒應用非常重要。
AD5700低功耗振蕩器利用直接連接到XTAL 1和XTAL 2引腳的3.6864 MHz外部晶振為哈特調制解調器生成時鐘。
輸出保護
瞬態電壓抑制器（TVS）可保護4 mA至20 mA哈特接口免受過壓影響。選擇TVS額定電壓，使其不超過AD 5421 REGIN引腳上的絕對最大電壓60 V。請注意，TVS漏電流會影響電流輸出精度;因此，在選擇此器件時，請注意給定環路電壓和溫度范圍下的漏電流。
外部耗盡型FET可與AD5421配合使用，以提高環路電壓最大值。
該電路由一對與環路輸出串聯的二極管提供反極性保護。
與環路串聯的鐵氧體磁珠以及4700 pF電容可提高系統EMC性能。由于哈特網絡規范，請勿在回路端子之間使用較高的電容。
4.7 V低泄漏齊納二極管可在AD5421 COM引腳與LOOP?引腳之間出現意外外部電壓時（例如，調試電路時）保護片內50 Ω環路檢測電阻。
電源和電源管理
整個現場儀表電路（包括傳感器驅動電流）必須在4 mA至20 mA環路的有限可用功率下工作。這是任何環路供電現場儀表設計中的常見挑戰。圖1中的電路提供了一個同時提供低功耗和高性能解決方案的示例。該應用中使用的所有集成電路均為低功耗設計，該電路利用其集成特性提供靈活的電源管理結構和最佳環路供電解決方案。
AD 5421由4 mA至20 mA環路電壓供電，并為電路的其余部分提供穩壓低電壓。根據電路要求，AD 5421 REGOUT電壓可在1.8 V至12 V范圍內進行引腳編程。圖1中的電路使用9 V電源電壓選項。傳感器側通過簡單的推挽式DC-DC轉換器與4-20 mA環路隔離。ADG 5433由微控制器提供時鐘，產生9 V非重疊方波，驅動一個Transformer。Transformer工作電壓比為2：1。副邊的4.5 V電壓由ADP 162整流和調節，為AD 7124 -4提供低噪聲3.3 V電源。AD 7124 -4的模擬和數字3.3 V電源均由ADP 162調節器供電。然而，包括濾波器（L1/R19）以防止來自數字電路的噪聲被饋送到模擬部分。
AD5421在環路側提供3.3 V邏輯電源。微控制器和AD5700直接使用該電源。
REGOUT RC濾波器（10 μF/10 Ω/10 μF）有助于防止來自環路的任何干擾影響模擬電路。它還可防止電路（特別是控制器和數字電路）產生的任何干擾耦合回環路，這對于可靠的哈特通信非常重要。
AD 5700哈特調制解調器通過一個附加RC濾波器（470 Ω/1 μF）供電。該濾波器在環路供電應用中非常重要，因為它可以防止來自AD 5700的電流噪聲耦合到4 mA至20 mA環路輸出，否則會影響哈特通信。AD 5700調制解調器使用帶8.2 pF電容的外部晶振在XTAL 1和XTAL 2引腳上接地，這是功耗最低的選項。
AD 7124 -4的主要優勢之一是，用戶可以靈活采用三種集成電源模式之一。lt;電流消耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可根據所選電源模式進行調整。因此，對于4 mA至20 mA或便攜式設備，低或中功率模式是最佳選擇。對于功耗不是問題的過程控制系統，可以使用全功率模式，從而降低噪聲。對于該環路供電電路，使用中功率模式。有關電源模式的更多信息，請參見AD 7124 -4數據手冊。
連接壓力傳感器時，AD 7124 -4的PSW接地開關引腳控制激勵/電源。儀器上電時，開關默認關閉。此默認值允許在開啟傳感器之前對系統進行完全配置，包括適當的電源模式，從而最大限度地減少4 mA至20 mA環路輸出上可能出現的上電尖峰。
當連接RTD傳感器時，它由AD 7124 -4的可編程電流源供電，因此其電源完全由軟件控制。同樣，對于熱電偶傳感器，偏置電壓和絕對基準電壓源嵌入在AD 7124 -4中，因此由軟件控制。
軟件
微控制器通過SPI接口與AD 7124 -4和AD 5421連接。它通過UART接口UART 0與AD 5700通信。軟件通過微控制器上的第二個UART接口UART 1下載到微控制器。
啟動時，微控制器配置所有三個器件，AD 7124 -4配置為T型熱電偶。AD 7124 -4工作在連續轉換模式下。因此，其DOUT/RDY引腳也連接到微控制器上的中斷。每當ADC有轉換可用時，微控制器就會產生一個中斷，并讀取轉換結果。然后微控制器對數據進行線性化和處理。結果發送至AD 5421 DAC，通過4 mA至20 mA環路傳輸。用于演示電路功能和性能的軟件包含在CN-0382設計支持包中。該軟件支持本電路筆記中提到的所有傳感器類型。CN-0382設計支持包中還提供了有關如何針對不同傳感器類型更改軟件的文檔以及有關將軟件下載到微控制器的詳細信息。
代碼示例包括一個基本的哈特從機命令響應，以演示硬件功能和能力。然而，代碼示例不包括哈特通信的協議層。AD 7124 -8可用作AD 7124 -4的替代產品。AD 7124 -4和AD 7124 -8具有相同的性能。然而，AD 7124 -8提供8路差分或15路偽差分輸入，因此適合需要高通道數的應用。
AD5421可以通過保護直接連接到環路。也可以在AD5421和環路電源之間連接一個耗盡型N溝道MOSFET，如圖8所示。在此配置中使用附加MOSFET可使AD5421兩端的壓降保持在約12 V，降低AD5421封裝中的功耗，從而提高4 mA至20 mA模擬輸出精度。它還將環路中允許的最大電壓提高到MOSFET額定值。附加MOSFET對哈特通信沒有影響。
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