電路描述

模擬前端接口

ADuCM360模擬前端集成雙通道、高性能、24位Σ-Δ型模 數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。同時還集成了可編程增益儀表放大器、 精密帶隙基準電壓源、可編程電流源、靈活的多路復用器 以及其它許多特性。該器件允許直接與多個模擬傳感器對 接，如壓力傳感器電橋、電阻式溫度傳感器、熱電偶以及 工業(yè)用途的其它各類傳感器。

圖1表示連接主要橋式傳感器與輔助電阻式溫度傳感器的 示例電路。而 ADuCM360具有靈活的前端，允許進行除此 之外的其它各種配置，滿足各種類型的精密模擬傳感器應 用要求。

ADuCM360的片內(nèi)ADC0測量現(xiàn)場儀器的主傳感器，在圖1中 表示為橋式傳感器。該傳感器通過一個RC濾波器網(wǎng)絡連接 至模擬輸入引腳AIN0和AIN1，以便增強系統(tǒng)抵抗電磁干 擾的能力。共模濾波器帶寬約為16 kHz，差模帶寬為800 Hz。

ADuCM360 的VREF+和VREF−基準電壓輸入檢測電橋的激 勵電壓并啟動電路的比率工作模式，使測量獨立于傳感器 電源電壓的確切值。若應用需要，則片內(nèi)接地開關可動態(tài) 斷開電橋的激勵電壓，降低功耗。

輔助傳感器輸入

本電路使用100Ω鉑(Pt)電阻溫度檢測器(RTD)作為輔助傳感 器。RTD能夠檢測主傳感器的溫度，因此，如果必要，可 對主傳感器進行溫度補償。

ADuCM360可編程電流源通過AIN4引腳為RTD提供電流。 ADuCM360上的ADC1利用配置為差分輸入的AIN3和AIN2 引腳，測量RTD的電壓。利用精密電阻(RREF)，對流過 RTD的確切電流值進行檢測，并使用ADC1的AIN7引腳測 得。ADC1使用片內(nèi)帶隙基準電壓源。

所有現(xiàn)場儀器的數(shù)字功能均由 ADuCM36032位ARM Cortex™ M3 RISC處理器提供，該處理器集成128 k字節(jié)非易失性fiash/EE 存儲器、8 k字節(jié)SRAM，以及一個支持有線(2× SPI、UART、 I²C)通信外設的11通道直接存儲器訪問(DMA)控制器。

演示軟件可進行初始化和配置、處理來自模擬輸入的數(shù) 據(jù)、控制模擬輸出，并進行HART通信。

AD5421集成16位低功耗精密DAC，該DAC帶4 mA至20 mA 環(huán)路供電輸出驅(qū)動器，可提供現(xiàn)場儀器模擬輸出所需的全 部功能。

AD5421通過SPI接口與 ADuCM360控制器通信。

AD5421還集成了一系列與4 mA至20 mA環(huán)路相關的診斷功 能。輔助ADC可通過連接至VLOOP引腳上的20 MΩ/1 MΩ電 阻分壓器測量儀器環(huán)路端的電壓。該ADC還可通過內(nèi)部傳 感器測量芯片溫度。 ADuCM360 控制器可配置并讀取 AD5421, 的全部診斷數(shù)據(jù)，但 AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和 AD5421之間的通信發(fā)生故障， AD5421 將在一段時間后自動設置其模擬輸出為3.2 mA報警電流。 此報警電流將現(xiàn)場儀器工作故障這一情況匯報給主機。

輸出電流值的任何改變都受到軟件的控制，以防對HART 通信產(chǎn)生干擾。(參見“模擬變化率”部分)。

HART通信

AD5700 集成完整的HART FSK調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器 通過標準UART接口，伴隨請求發(fā)送(RTS)和載波檢測(CD) 信號實現(xiàn)與 ADuCM360控制器的連接。

HART輸出通過0.068 μF/0.22 μF容性分壓器調(diào)整至所需幅 度，并耦合至 AD5421的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū) 動和調(diào)制輸出電流。

被耦合到LOOP+端的HART信號通過一個簡單的有源RC濾 波器輸入到 AD5700的ADC_IP引腳。RC濾波器作為第一 級，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時增強系統(tǒng)抵抗 電磁干擾的能力——這對于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的 應用而言非常重要。

AD5700低功耗振蕩器采用與XTAL1和XTAL2引腳直接相連 的3.8664 MHz外部晶振，產(chǎn)生HART調(diào)制解調(diào)器的時鐘。

瞬變電壓抑制器(TVS)保護4 mA至20 mA HART接口免受過 壓影響。其額定電壓不應超過 AD5421 在REGIN引腳上的60 V 絕對最大電壓。請注意，TVS泄漏電流可能會影響電流輸 出精度；因此，選用此器件時，需關注一定環(huán)路電壓和溫 度范圍下的泄漏電流。

可使用外部耗盡型FET與 AD5421 搭配工作，提高環(huán)路電壓 最大值。

本電路具有保護功能，通過與環(huán)路輸出相串聯(lián)的一對二極 管保護電路免受極性反轉(zhuǎn)的影響。

鐵氧體磁珠與環(huán)路串聯(lián)，該串聯(lián)部分與4700 pF電容一同提 升系統(tǒng)的EMC性能。由于HART網(wǎng)絡的規(guī)格限制，請勿在 環(huán)路端點處使用更高數(shù)值的電容。

4.7 V低泄露齊納二極管保護 AD5421 的片內(nèi)50 Ω環(huán)路檢測電 阻免受 AD5421的COM引腳和LOOP−引腳間意料之外的外 部電壓影響(例如，對 ADuCM360 編程或調(diào)試電路時)。

電源和電源管理

包括傳感器驅(qū)動電流在內(nèi)的完整現(xiàn)場儀器電路必須工作在 4 mA至20 mA環(huán)路提供的限量電源下。這對所有環(huán)路供電 現(xiàn)場儀器設計而言，都是一個普遍的難題。圖1中的電路 提供了低功耗以及高性能解決方案的一個實例。應用中用 到的全部三個集成電路均針對低功耗而設計，并且電路依 靠各自的集成特性提供靈活的電源管理結構和性能最優(yōu)的 環(huán)路供電解決方案。

AD5421采用4 mA至20 mA環(huán)路電壓供電，為電路的其余部 分提供經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓。依據(jù)電路的需求， AD5421 REGOUT 電壓可以編程在1.8 V至12 V范圍內(nèi)。圖1中的電路采 用3.3 V電源電壓選項，作為所用輸入傳感器的一個實例。 然而，由于 ADuCM360和 AD5700 具有更寬的電源電壓范 圍，因此可采用不同的電源電壓，以滿足應用要求。

REGOUT RC濾波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止傳感器模擬 前端受到來自環(huán)路的任何干擾的影響。它還能防止電路產(chǎn) 生的任何干擾(尤其是控制器和數(shù)字電路產(chǎn)生的干擾)回流 耦合至環(huán)路，這對于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700HART調(diào)制解調(diào)器通過一個額外的RC濾波器供電 (470 Ω/1 μF)。該濾波器在環(huán)路供電應用中的作用非常重 要，因為它可防止 AD5700的電流噪聲與4 mA至20 mA環(huán)路 輸出進行耦合；若非如此，將影響HART通信。在靜默測 試期間，特地通過HART帶內(nèi)噪聲解決4 mA至20 mA環(huán)路噪 聲性能問題。 AD5700調(diào)制解調(diào)器使用外部晶振，通過將 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF電容接地，在可達到的功耗范圍 中選擇最低值。

ADuCM360具有極為靈活的內(nèi)部電源管理功能，提供所有 內(nèi)部模塊的許多供電和時鐘選項，并且當軟件調(diào)用時，允 許針對特定的儀器應用，在要求的功能、性能和功耗之間 取得最佳平衡。請參考 ADuCM360 產(chǎn)品頁面和 AN-1111應 用指南。

模擬前端AVDD通過另一個濾波器(10 μF/鐵氧體磁珠/1.6 Ω/ 10 μF)供電，以便最大程度針對低壓傳感器信號減少電源噪 聲，獲得更佳性能。

ADuCM360 的GND_SW接地開關引腳控制主傳感器的激勵 和電源。儀器上電時，開關默認為關閉。這一默認設定允 許在開啟傳感器之前對系統(tǒng)進行全面配置，包括適當?shù)碾?源模式，從而最大程度降低4 mA至20 mA環(huán)路輸出上可能 存在的任何上電尖峰。

類似地，輔助傳感器采用 ADuCM360的可編程電流源供 電，因此可通過軟件完全控制其電源輸入。

ADuCM360 軟件

可在 CN-0267 設計支持包中找到演示本電路功能和性能的 基本代碼示例。

代碼示例包括基本HART從機命令響應，用于演示硬件的 功能和特性。代碼示例不包括HART通信的協(xié)議層。