使用HART兼容性处理技术简化设计过程
作者：Michal Brychta，Derrick Hartmann
不同的应用需要不同的模拟输入。支持 HART 的技术简化了设计过程。
在加工厂或工厂环境中看到 4 m Ato 20 mA 模拟电流回路并不少见。虽然这些不同应用中的基本信令相同，但带宽要求却大不相同。工厂控制系统可能需要来自位置和位移传感器的 100 赫兹的环路带宽，而典型的过程控制系统只需要几赫兹的更新速率，并且通常启用 HART（高速可寻址远程传感器）。HART 协议允许通过传统的模拟 4 mA 至 20 mA 电流环路进行双向 1.2/2.2 kHz FSK（频移键控）调制数字通信。设计同时满足这两种情况的 4 m A 至 20 mA 输入可能具有挑战性。图 1 中的电路图显示了实现支持 HART 的模拟输入的传统方法。
图 1：带无源滤波器的 HART 启用输入。
在图中，R 1和 R SENSE提供 250 Wohm 的系统终端阻抗。HART FSK 信号从那里交流耦合到 HART 调制解调器。4 mA 至 20 mA 模拟信号由精密 100 WR SENSE电阻转换为 0.4 V 至 2 V 信号。然后，模拟低通滤波器从模拟信号中衰减 HART FSK 分量，然后再将其传递给 A/D 转换器。二阶低通模拟滤波器具有 25 Hz 的带宽和 -40 dB/十倍频程滚降。该电路符合 HART 规范，可将 HART FSK 信号衰减至低于 4 mA 至 20 mA 满量程的 -60 dB 以上水平，确保 HART FSK 通信对输入的干扰小于 0.1%。
另一方面，该模拟低通滤波器在系统输入的满量程步进后需要将近 70 毫秒才能稳定在 0.1% 以内。长稳定时间和低带宽不适用于需要快速运行且不需要 HART 通信的系统。模拟滤波器确实可以被绕过，但这需要额外的模拟电路，例如开关或多路复用器。图 2 显示了启用 HART 的模拟输入的另一种方法。
图 2：支持 HART 的灵活带宽输入。
与前面的电路类似，HART FSK 信号从 250 Ω 输入阻抗交流耦合，4 mA 至 20 mA 信号由精密 100 WR SENSE电阻转换为 0.4 V 至 2 V 信号。然而，在这个电路中，一个相当轻的低通滤波器将信号的带宽限制在 27 kHz 左右，以提供系统抗扰度和电磁兼容性 （EMC）。在系统输入的满量程阶跃后，滤波器在 40 µs 内稳定到 0.1%。
该信号被传递到具有内置数字滤波器的 sigma-delta A/D 转换器，例如 Analog Devices 的 AD7173。可以对数字滤波器进行编程，以实现较慢的操作和最佳的 HART FSK 信号抑制，或者在需要快速模拟输入功能时进行快速操作。
AD7173 有多种工作模式。适用于抑制 HART FSK 信号的一种模式是 SINC3 滤波器，其陷波设置为 400 Hz 或约数，它在较低的 HART FSK 频率 （1.2 kHz） 提供深滤波器陷波，并在较高的频率（2.2千赫）。图 3 中的图表显示了该数字滤波器的频率响应及其与图 1 中的模拟滤波器的比较。
图 3：具有无源滤波器的启用 HART 的输入。
不幸的是，现实世界并不是那么简单。当通过 HART 发送完整消息时，HART FSK 调制信号频谱不仅包含基本调制频率的能量，而且还包含介于 1.2 kHz 和 2.2 kHz 载波之间、以下和以上的分量。图 4 显示了 A/D 转换器输入上的 HART FSK 消息的典型频谱，以及被具有 400 Hz 陷波的 SINC3 滤波器衰减时的频谱。在这种情况下，主机正在发送 HART 命令 3，而从机正在响应该命令。
图 4： HART 消息频谱。
从图 4 可以明显看出，HART 消息的一部分，尤其是在较低频率下，仍然可以出现在 A/D 输出数据中。也就是说，可以轻松更改数字滤波器设置，以在输入速度和 HART FSK 信号抑制之间取得适当的平衡。图 5 显示了系统性能，测量为相对于 4 mA 至 20 mA 满量程的百分比误差，以及模拟滤波器（图 1）和 SINC3 数字滤波器（图 2）的系统速度。
图 5： SINC3 滤波器与模拟滤波器的对比。
模拟滤波器在硬件中是固定的，并且具有固定的建立时间。对于系统输入上快速变化的模拟信号，模拟滤波器输出误差主要由其缓慢稳定决定。例如，如果系统输入每 40 ms 改变一次满量程，则滤波器输出的稳定值不会低于正确值的 1%。对于慢速输入信号，模拟滤波器输出误差主要取决于其抑制 HART FSK 信号低频分量的能力。对于典型的 HART 命令 3 消息，此误差约为 4 mA 至 20 mA 满量程的 0.09%。
或者，数字 SINC3 滤波器的建立时间是用户设置的参数，由 HART FSK 信号引起的滤波器输出误差与滤波器设置相对应。例如，具有 400 Hz 陷波的 SINC3 滤波器对应于 7.5 ms 的建立时间，当传送 HART 命令 3 时，A/D 结果中测得的干扰小于 4 mA 至 20 mA 满量程的 0.4% 。 在具有四个模拟输入的系统中，SINC3 滤波器在通道之间顺序切换。具有 400 Hz 陷波的相同 SIN3 滤波器现在需要 4 x 7.5 = 30 ms 来扫描所有四个通道。这就是四通道系统在 30 毫秒时显示相同的 ~0.4% 误差的原因。
对于更精确的 4 mA 至 20 mA 输入，SINC3 滤波器可设置为 30 ms 建立时间，这对应于 100 Hz 陷波，它将 HART 信号抑制到小于满量程的 0.1%。如果速度更重要，具有 6 ms 稳定时间（~500 Hz 陷波）的 SINC3 滤波器仍会抑制低于 4 mA 至 20 mA 输入 0.5% 的 HART 通信信号。如果速度是唯一要求并且不需要 HART 通信，那么前面讨论的 AD7173 可以采样超过 31ksamples/s，建立时间为 161µs/通道。
传统的模拟低通滤波器更容易理解，而且由于板上每个通道的元件数量较少，因此在某些情况下，在多通道系统中实施时可以提供更好的模拟输入性能。另一方面，集成在 sigma-delta A/D 转换器上的数字 SINC 滤波器具有显着的灵活性，可以一直提供给最终系统用户。数字解决方案需要较少的硬件，如果设置正确，它在过滤 HART FSK 信号方面的性能优于单通道系统中的模拟解决方案，并且在多达四通道系统中具有可比性或更好的性能。
