Schaltungstipp

Stromschleifen gespeistes Feldgerät mit HART-Schnittstelle

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HART-Konformität

Das DEMO-AD5700D2Z wurde im Hinblick auf die Konformität zur HART FSK Physical Layer Spezifikation (HCF_SPEC-054, Revision 8.1)verifiziert. Verwendet wurden in der HART Physical Layer Test Specification (HCF_TEST-2, Revision 2.2) spezifizierte Methoden und Geräte. Das Board wurde der HART Communication Foundation übergeben und registriert.

Die registrierte Schaltung findet man auf der Website der HART Communication Foundation oder im Produktkatalog des DEMO-AD5700D2Z.

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Die Ergebnisse wurden im Rahmen von „Output Noise During Silence“- und „Analog Rate of Change“-Tests ermittelt.

„Output Noise During Silence”-Test

Wenn ein HART Device nicht überträgt (Silence) sollte man kein Rauschen in das Netzwerk einkoppeln. Übermäßiges Rauschen kann sich empfangenen HART-Signalen überlagern, und zwar durch das Gerät selbst oder durch andere Komponenten im Netzwerk.

Das Spannungsrauschen, gemessen über einer 500-Ω-Last in der Schleife, darf nicht mehr als 2,2 mVeff an kombiniertem Breitband- und korrelierten Rauschen im erweiterten HART-Frequenzband enthalten. Ferner sollte das Rauschen außerhalb des erweiterten HART-Frequenzbands 138 mVeff nicht übersteigen.

Dieses Rauschen wurde mit einem Echteffektivwertmessgerät über der 500-Ω-Last gemessen. Es wurde direkt für das Nebenband-Rauschen und über den HCF_TOOL-31 Filter für das bandinterne Rauschen gemessen. Ein Oszilloskop wurde ebenfalls verwendet, um den Signalverlauf des Rauschens zu messen.

Das Rauschen wurde im ungünstigsten Fall – einem Ausgangsstrom von 4 mA – ermittelt. Den erfassten Signalverlauf des Rauschens zeigt Bild 4. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Änderungsraten-Test

Diese Angabe stellt sicher, dass, wenn ein Gerät den analogen Ausgangsstrom regelt, die maximale Änderungsrate (Rate of Change) des Analogstromes nicht mit der HART-Kommunikation interferiert. Sprünge im Stromverlauf beeinträchtigen das HART-Signal.

Die ungünstigste Änderung des Analogstromes am Ausgang darf keine Störung von über die Spitze von 15 mV produzieren, gemessen über einer 500-Ω-Last im erweiterten HART-Frequenzband.

Der D/A-Wandler und Ausgangstreiber des AD5421 sind relativ schnell. Damit die erforderliche Systemvorgabe erreicht wird, steuert man die Änderung des Ausgangsstromes, indem man hardwaretechnisch eine Begrenzung der Flankensteilheit im AD5421 implementiert und mit einem Digitalfilter in der Software des ADuCM360 kombiniert.

Die Flankensteilheit wird mit dem Kondensator am Anschluss CIN des AD5421 eingestellt. Falls eine große Änderung des analogen Ausgangsstromes erforderlich ist, teilt die Software des ADuCM360 die Änderung des Ausgangsstromes, der an den DAC AD5421 gelangt, in mehrere kleinere Stufen auf.

Dieser Test wurde mit einem Oszilloskop durchgeführt, das über den Filter HCF_TOOL-31 an die 500-Ω-Last angeschlossen ist.

Bild 5 zeigt das Ergebnis. Der Signalverlauf CH1 zeigt die periodischen Stufen zwischen 4 und 20 mA, die direkt über der 500-Ω-Last gemessen wurden. Der Signalverlauf CH2 ist das am Filterausgang HCF_TOOL-31 erfasste Signal mit zehnfacher Verstärkung innerhalb der 150mV Spitze-Grenzen.

Energieverbrauch der Schaltung

Zwei Methoden wurden zur Ermittlung des Energieverbrauchs der Schaltung verwendet. Bei der ersten Methode wurde der Strom am Ausgang des im AD5421 integrierten Spannungsreglers gemessen. Beim minimalen analogen Ausgangsstrom von 4 mA und der HART Ausgangs-AC-Modulation von 0,5 mA Spitze muss der im normalen Betrieb vorhandene maximale Strom unter 3,5 mA liegen. Der AD5421 benötigt maximal 0,3 mA für seinen eigenen Betrieb. Somit verbleiben etwa 3,2 mA für den Ausgang REGOUT des AD5421.

Zur Vereinfachung von In-Circuit-Messungen verfügt das DEMO-AD5700D2Z an jeder Seite des 10-Ω-Widerstands im REGOUT Ausgangsfilter über die Testpunkte T5 und T6 (Bild 6). Dieser Aufbau ermöglicht es, ohne Unterbrechung des Versorgungsstromes oder Störungen der Schaltung, den Spannungsabfall über dem Widerstand zu messen und den Strom zu berechnen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Messungen erfolgten unter folgenden Bedingungen:

  • REGOUT = 3,3 V
  • ADuCM360 M3 Core-Takt = 2 MHz
  • beide ADCs wandeln mit 50 Sample/s
  • ADC0: beide Puffer auf „On”, Verstärkung = 8
  • ADC1: beide Puffer auf „On”, Verstärkung = 16
  • RTD-Erregerstrom = 200 μA
  • SPI kommuniziert mit dem AD5421 mit einem seriellen Taktsignal von 100 kHz
  • HART-Kommunikation

Die Schaltung mit allen relevanten Analog- und Digitalblöcken einschließlich Eingangssensor nimmt eine Leistung auf, die innerhalb der Grenzen des minimalen Schleifenstromes von 4 mA liegt.

Bei der zweiten Methode zur Ermittlung des Energieverbrauchs der Schaltung wurde zunächst sichergestellt, dass die Schaltung bei einem auf das Minimum von 4 mA eingestellten analogen Ausgangsstrom und laufender HART-Kommunikation wie erwartet funktioniert. Festgestellt wurde, dass die Schaltung den Strom von 4 mA liefert und das HART-Ausgangssignal nicht verzerrt.

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