Schaltungstipp

Stromschleifen gespeistes Feldgerät mit HART-Schnittstelle

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HART-Kommunikation

Der AD5700 enthält ein komplettes HART-FSK-Modem. Das Modem ist über eine Standard-UART-Schnittstelle an den Controller ADuCM360 angeschlossen, komplementiert durch RTS (Request to Send) und das CD-Signal (Carrier Detect).

Die Amplitude der Spannung am HART-Ausgang ist durch den kapazitiven Teiler (0,068 μF/0,22 μF) auf den erforderlichen Wert eingestellt und an den Pin CIN des AD5421 gelegt. Dort wird die Spannung mit dem DAC-Ausgang kombiniert, um den Ausgangsstrom zu treiben und zu modulieren.

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Der HART-Eingang wird von LOOP+ über einen einfachen passiven RC-Filter in den ADC-IP-Pin des AD5700 eingekoppelt. Der RC-Filter arbeitet als erste Stufe als Bandpassfilter für den HART-Demodulator und verbessert die elektromagnetische Störfestigkeit des Systems. Dies ist wichtig für robuste Anwendungen, die in rauen Industrieumgebungen arbeiten müssen.

Der Oszillator AD5700 mit geringem Energieverbrauch erzeugt das Taktsignal für das HART-Modem. Verwendet wird ein externer 3,8664-MHz-Quarz, der direkt an die Pins XTAL1 und XTAL2 angeschlossen ist.

Ausgangsschutz

Ein Überspannungsbegrenzer schützt die 4/20-mA-HART-Schnittstelle vor Überspannung. Er ist so dimensioniert, dass die maximal zulässige Spannung von 60 V am Pin REGIN des AD5421 nicht überschritten wird. Der Leckstrom des Überspannungsbegrenzers kann die Genauigkeit des Ausgangsstromes beeinträchtigen; deshalb sollte man den Leckstrom bei der Auswahl des Überspannungsbegrenzers im Auge behalten.

Ein externer FET (Verarmungstyp)kann in Verbindung mit dem AD5421 verwendet werden, um die maximale Schleifenspannung zu erhöhen.

Die Schaltung wird mit einem Diodenpaar in Serie mit dem Schleifenausgang gegen Verpolung geschützt.

Die Ferritperlen in Reihe mit der Schleife verbessern zusammen mit dem 4700-pF-Kondensator den Störschutz des Systems. Ein Kondensator mit höherer Kapazität sollte aufgrund der HART-Netzwerkspezifikation über den Schleifenanschlüssen nicht verwendet werden.

Die Zener-Diode (4,7 V) mit geringem Leckstrom schützt den auf dem Chip des AD5421 befindlichen 50-Ω-Schleifenwiderstand im Fall einer extern anliegenden Spannung zwischen dem COM-Pin des AD5421 und dem LOOP−Pin (zum Beispiel bei der Programmierung des ADuCM360 oder beim Debugging der Schaltung).

Stromversorgungen und Power-Management

Die komplette Schaltung einschließlich des Sensortreibers muss mit der begrenzten Energie aus der 4/20mA-Schleife arbeiten. Dies ist bei allen Stromschleifen gespeisten Feldgeräten eine übliche Herausforderung. Die Schaltung in Bild 1 zeigt eine Lösung, die mit wenig Energie auskommt und dennoch sehr leistungsfähig ist. Alle drei in der Anwendung verwendeten integrierten Schaltungen sind auf einen niedrigen Energieverbrauch optimiert. Die Schaltung nutzt ihre integrierten Funktionen, um eine flexible Power-Management-Struktur und eine optimale schleifengespeiste Lösung zu realisieren.

Der AD5421 wird von der Schleifenspannung der 4/20mA-Schleife versorgt und stellt der restlichen Schaltung eine geregelte Spannung zur Verfügung. Die Spannung REGOUT des AD5421 ist über den Anschluss-Pin programmierbar. Je nach Anforderung der Schaltung kann sie 1,8 bis 12 V betragen. Die Schaltung in Bild 1 nutzt die 3,3-V-Versorgungsspannungsoption. Die Bauteile ADuCM360 und AD5700 haben jedoch einen größeren Versorgungsspannungsbereich; daher kann eine andere, für die Anwendung passende Versorgungsspannung genutzt werden.

Der REGOUT-RC-Filter (10 μF/10 Ω/10 μF) unterdrückt Interferenzen, die aus der Schleife kommen und das Sensor analoge Front-End beeinträchtigen. Der Filter verhindert auch, dass von der Schaltung, speziell vom Controller und dem digitalen Bereich erzeugte Störungen in die Schleife gelangen. Dies ist für eine zuverlässige HART-Kommunikation wichtig.

Das HART-Modem AD5700 wird über einen zusätzlichen RC-Filter (470 Ω/1 μF) versorgt. Dieser Filter ist in einer schleifengespeisten Anwendung sehr wichtig, da er verhindert, dass Stromrauschen vom AD5700 in den 4/20mA-Schleifenausgang eingekoppelt wird und so die HART-Kommunikation beeinträchtigt. Das Rauschen der 4/20mA-Schleife wird speziell durch das HART-In-Band Rauschen während des Rauschtests gemessen. Das Modem nutzt den externen Quarz mit 8,2-pF-Kondensatoren nach Masse an den Pins XTAL1 und XTAL2. Diese Option benötigt die wenigste Energie.

Der ADuCM360 verfügt über ein sehr flexibles internes Power-Management mit vielen Optionen zur Versorgung und Taktung aller internen Blöcke und ermöglicht eine ausgewogene Balance zwischen der benötigten Funktion, der Leistungsfähigkeit und dem Energiebedarf für die spezielle Instrumentierung.

Die AVDD des analogen Front-Ends wird von einem anderen Filter (10 μF/Ferritperle/1,6 Ω/10 μF) bereitgestellt, um das Stromversorgungsrauschen zu minimieren und die Leistungsfähigkeit für Sensorsignale mit niedrigen Pegeln zu erhöhen.

Der Masseschalter-Pin GND_SW des ADuCM360 steuert die Anregung/Stromversorgung für den primären Sensor. Beim Einschalten des Geräts steht der Schalter auf der Stellung „Aus”. Diese Voreinstellung erlaubt die komplette Konfiguration des Systems einschließlich geeigneter Power-Betriebsarten vor dem Einschalten des Sensors. So lassen sich mögliche Einschaltstromspitzen am 4/20-mA-Schleifenausgang minimieren.

Auf ähnliche Weise wird der sekundäre Sensor von der programmierbaren Stromquelle des ADuCM360 versorgt. Daher wird seine Versorgung komplett über die Software gesteuert.

Die Software des ADuCM360

Ein Basis-Code-Beispiel, welches die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Schaltung demonstriert, findet man im Design Support Package CN-0267.

Das Code-Beispiel beinhaltet die Reaktion auf einen HART-Slave-Befehl um die Hardware-Funktion und Fähigkeit zu demonstrieren. Nicht im Code-Beispiel enthalten sind die Protokoll-Layer der HART-Kommunikation.

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