图1所示电路将 AD5755-1 (四通道电压和电流输出DAC，带动态功率控制)和 AD5700-1 HART调制解调器结合了起来，结果打造出一种完全隔离式多路复用HART®1模拟输出解决方案。电源既可由板载变压器隔离电路提供(±13 V和+5.2 V输出，依负载电流而定)，也可由连接到端子板的外部电源提供。该电路适合可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)模块，这些模块要求多个HART兼容型4 mA至20 mA电流输出及单极性或双极性电压输出。同时还包括外部瞬变保护电路，这对恶劣工业环境中的应用极其重要。

AD5755-1 DAC可通过软件配置，允许用户轻松编程输出范围及用于动态电源控制所需要的DC-DC转换器设置。通过该DAC可以访问所有内部控制寄存器，包括压摆率控制寄存器，该寄存器对采用HART通信协议的应用至关重要。

AD5700-1是业内功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC调制解调器。它充当一款HART频移键控(FSK)半双工调制解调器，集成所有必要的信号检测、调制、解调和信号发生功能。内置一个精度为0.5%的内部振荡器，从而降低了电路板空间要求和成本。AD5700-1采用标准的UART接口。

数字隔离以基于ADI公司iCoupler®技术的四通道和双通道 ADuM3481/ ADuM3210 数字隔离器元件实现。iCoupler技术的使用降低了基于光隔离器的解决方案通中额外外部元件的需求。外部变压器用于将功率传输到隔离栅的另一端。

ADG759 在四个模拟输出通道上提供了多路复用功能，由此可实现HART通信。它根据2位二进制地址线A0和A1所确定的地址，将4路差分输入之一切换至公共差分输出。禁用时，所有通道均关断。提供旁路链路，以便能灵活地绕开多路复用器。

对于工业控制模块，标准模拟输出电压和电流范围包括±5 V、±10 V、0 V至+5 V、0 V至+10 V、+4 mA至+20 mA和0 mA至+20 mA。电压输出范围还提供20%的超范围特性。AD5755-1支持所有这些范围，是一种高精度、全集成、低成本的单芯片解决方案。每个DAC通道都有一个增益(M)寄存器和一个失调(C)寄存器，用于消除整个信号链的增益和失调误差。

电流输出和电压输出通过独立引脚提供，任何时候仅一个输出处于有效状态，因而允许将两个输出引脚连在一起并接到单个引脚上。当使能电流输出时，电压输出处于三态模式；当使能电压输出时，电流输出为三态模式。模拟输出受短路和开路保护。

AD5755-1支持内部或外部精密电流设置电阻用于电压-电流转换电路，如图3所示。输出电流值在全温度范围内的稳定性取决于R_SET值的稳定性。作为提高输出电流在整个温度范围内的稳定性的一种方法，可将一个外部15 kΩ低漂移电阻连接到AD5755-1的R_{SET_X}引脚，以取代内部电阻。外部电阻通过DAC控制寄存器进行选择。高精度测量通过两种选项进行评估，详见“电路评估与测试”部分。

图3.电压-电流转换电路

精密基准电压源的选择

AD5755-1有一个片内10 ppm/°C(最大值)基准电压源。为了提高在整个温度范围内的性能，该设计采用一个 ADR02 基准电压源，其最大漂移为3 ppm/°C(B级，SOIC封装)。基准输入端的电压用于为DAC内核提供经缓冲的基准电压。因此，任何基准电压误差都会反应到的输出端。

ADR02是一款5 V精密基准电压源，允许高达36 V的输入电压。其最大精度误差为0.06%，最大温度漂移为3 ppm/°C(B级，SOIC封装)。该漂移在工业温度范围内会贡献大约0.02%误差。其长期漂移为50 ppm(典型值)，0.1 Hz至10 Hz噪声指标为10 µV p-p(典型值)。

动态功率控制

AD5755-1集成基于DC-DC升压转换器电路的动态电源控制功能，在电流输出模式下可降低功耗。多数PLC电流输出电路都采用一个固定电压源，以满足整个负载电阻值范围内的顺从输出电压要求。例如，在驱动20 mA时，一个负载为750 Ω的4 mA至20 mA环路就要求顺从电压不低于15 V。但在将20 mA驱动至50 Ω负载时，则只需要1 V的顺从电压。如果在驱动50 Ω负载时，15 V的顺从电压保持不变，则会浪费20 mA × 14 V = 280 mW的功率。

AD5755-1电路通过检测输出电压，调节顺从电压，不论负载电阻有多大，只允许少量的裕量电压，由此消除了这种功率损失。AD5755-1最多可以将24 mA驱动至1 kΩ的负载。

DC-DC转换器工作原理

AD5755-1内置4个独立的DC-DC转换器，用于为各个通道的VBOOST_X电源电压提供动态控制(参见图3)。图4所示为DC-DC电路所需要的分立元件

图4. DC-DC电路

建议在 C_DCDC 之后放置一个10 Ω、100 nF低通RC滤波器。虽然该器件会消耗少量电能，但会减少 V_{BOOST_X} 电源上的纹波。

DC-DC转换器采用一种恒频、峰值电流模式控制方案，以将4.5 V至5.5 V的 AV_CC 输入升压，从而驱动AD5755-1输出通道。这些器件设计用于工作在断续导通模式(DCM)，占空比小于90%(典型值)。

启用通道电流输出时，转换器将 V_{BOOST_X} 电源调节至7.4 V (±5%) 或 (I_{OUT_X} × R_LOAD +裕量)(取较大值)。在电流输出模式下，若输出被禁用，转换器将把 V_{BOOST_X} 电源调节至7.4 V (±5%)。在电压输出模式下，若输出被禁用，转换器将把 V_{BOOST_X} 电源调节至+15 V (±5%)。有关DC-DC转换器工作情况的详情，请参见AD5755-1数据手册。

HART耦合

AD5755-1有四个CHART引脚，分别对应于四个输出通道。HART信号可以耦合至这些引脚，并出现在对应的电流输出端(如果该输出已使能)。表1给出了CHART引脚上的HART信号的推荐输入电压。如果使用这些电压，电流 输出应符合HART幅度要求。图5所示为将HART信号衰减和耦合至AD5755-1HART输入的推荐电路。
 
表1. CHART输入电压和HART输出电流

RSET	CHART 输入电压	电流输出(HART)
内部 RSET	150 mV p-p	1 mA p-p
外部 RSET	170 mV p-p	1 mA p-p

图5.耦合HART信号

对于只要求电流输出的应用，可用 AD5757 替代AD5755-1。如果需要的分辨率低于16位，则可使用12位的 AD5737。

可用AD5700调制解调器取代AD5700-1。但需要一个外部晶振或者CMOS时钟，因为AD5700并不具备AD5700-1提供的内部振荡器选项。详见AD5700数据手册和AD5700-1数据手册。

对于单通道应用，请参见 电路笔记CN0321，具有HART连接的完全隔离、单通道电压、4 mA至20 mA输出。

基本测试设置的框图如图8所示。


设备要求

• EVAL-CN0328-SDPZ 评估板
• CN0328 评估软件
• EVAL-SDP-CB1Z 系统演示平台(SDP-B)
• PC (Windows® 32位或64位)
• 24 V电源
• 精密电压表，如Agilent 3458A
• 数字测试滤波器，如HCF_TOOL-31(可从HART通信基金会获得)
• 4个各500 Ω的精密负载电阻
• 示波器，Tektronix TDS2024B或等效器件

图8.测试设置功能框图

链路配置设置

默认链路选项如表3所示。默认情况下，评估板配置为通过变压器隔离电源供电。AD5755-1的默认基准电压源选项为外部基准电压源，由ADR02(位置B的LK1)供电。默认情况下不使用LK10和LK24，因为这些链路会形成ADG759的旁路。I_{OUT_x}和V_{OUT_x}在默认情况下短接在一起(LK20、LK22、LK23和LK26)。

表3.链路功能

链路编号	默认位置	选项
LK1	B	此链路选择AD5755-1的基准电压源。 位置A选择AD5755-1上的内部基准电压源。 位置B选择ADR02外部基准电压源。
LK2	已插入	此链路选择AVDD的电源选项。 当插入该链路时，选择板载AVDD，由+24 V电源供电。在这种情况下，不得将任何器件连接到J5-3。 当移除该链路时，AVDD需要用外部电源通过J5-3驱动。
LK3	已插入	此链路选择AVSS的电源选项。 当插入该链路时，选择板载AVSS，由+24 V电源供电。在这种情况下，不得将任何器件连接到J5-1。 当移除该链路时，AVSS需要用外部电源通过J5-1驱动。
LK4	已插入	此链路选择AVCC的电源选项。 当插入该链路时，选择板载AVCC，由+24 V电源供电。在这种情况下，不得将任何器件连接到J11。 当移除该链路时，AVCC需要用外部电源通过J11-1驱动。
LK5	已插入	此链路选择DVDD的电源选项。 当插入该链路时，选择使AVCC连接至DVDD。在这种情况下，不得将任何器件连接到J1。 当移除该链路时，DVDD需要用外部电源通过J1-1驱动。
LK6	B	此链路选择RESET的逻辑电平。 位置A将RESET连接至DGND；换言之，器件处于复位模式。 位置B将RESET连接至DVDD。
LK7	A	此链路选择POC的逻辑电平。 位置A将POC连接至DGND；AD5755-1上电时，其电压和电流通道均为三态模式。 位置B将POC连接至DVDD；AD5755-1上电时，电压输出通道上有一个接地的30 kΩ下拉电阻，电流通道为三态模式。
LK11, LK21, LK25, LK8	已插入	这些链路分别将+VSENSE 输入连接至通道A、通道B、通道C和通道D的 VOUT/IOUT 当插入此链路时，+VSENSE 输入直接连接至 VOUT/IOUT 引脚。 当移除该链路时，+VSENSE 输入悬空，必须连接至评估板外部负载电阻的高端。
LK9	A	此链路选择ADP1621的反馈节点。注意，在评估板上电时，不得动态更改此链路。 位置A选择滤波器电路后的AVCC节点。 位置B选择前置滤波AVCC节点。
LK10, LK24	已移除	这些链路选择哪个通道旁路ADG759(仅用于未使用ADG759时)。 位置A选择通道A。 位置B选择通道B。 位置C选择通道C。 位置D选择通道D。
LK12	已插入	插入时，AVDD电源连接至ADR02电源，由此为板载5 V基准电压源供电。
LK13, LK14	A	这些链路选择ADG759的地址。 LK14  LK13  通道  A A 通道A A B 通道B B A 通道C B B 通道D
LK15	B	ADG759使能。 位置A = 多路复用器禁用。 位置B = 多路复用器使能。
LK16, LK17	A	这些链路选择ADG759地址引脚的控制源。 位置A选择SDP控制。 位置B选择LK13/LK14控制。
LK18, LK19	A	这些链路控制AD5755-1的地址引脚。 LK18  LK19  AD1  AD0  A A 0 0 A B 0 1 B A 1 0 B B 1 1
LK20, LK22, LK23, LK26	已插入	当插入这些链路时，AD5755-1的 VOUT 和 IOUT 短接在一起，分别针对通道A、通道B、通道C和通道D。

电源配置

默认情况下，评估板配置为由变压器隔离电源供电，因而，链路LK2至LK5插入。如果端子板用于为电路供电，则必须提供以下电源：

图12.实测 I_OUT INL；通道A 

图13.实测V_OUT INL；通道A

绝对精度性能

在电流输出模式下，使用内部 R _SET 时，AD5755-1的总不可调整误差(TUE)为±0.11% FSR(最大值，25°C)。ADR02基准电压源(B级)的总误差为0.06%(最大值，25°C)。

表4所示为通道A电路在4 mA至20 mA范围内的实测电流输出误差，其中，负载为500 Ω，使用的是内部 R_SET。图14总结了全部四个通道的结果，同时使用了内部和外部R_SET。全部结果均位于预期值范围内。

表4.实测 I_{OUT_A} 误差(4 mA至20 mA范围)

代码(十六进制)	IOUT(mA)	误差 (% FSR)
0000	4.0002	+0.0013
4000	7.9994	-0.0038
8000	11.9988	-0.0075
C000	15.9982	-0.0112
FFFF	19.9990	-0.0063

图14.全部通道的电流输出误差(内部和外部R_SET)

 
对电压输出模式进行了类似的测量，其中，AD5755-1 TUE额定值为±0.03% FSR(最大值，25°C)。表5所示为通道A的结果。剩下的三个通道结果与其相似。

表5.实测 V_{OUT_A} 误差(±10 V范围)

代码(十六进制)	VOUT(V)	误差 (% FSR)
0000	-10.0032	-0.0160
4000	-5.0017	-0.0085
8000	0.000326	0.0016
C000	5.0007	0.0035
FFFF	10.0015	0.0075

HART兼容性

图15.在500 Ω负载下测得的FSK波形

图15所示为在500 Ω负载电阻、I_{OUT_A}上测得的1200 Hz和2200 HzFSK频率。通道1显示耦合至AD5755-1输出(设为4 mA)的调制HART信号，通道2显示AD5700-1TXD信号。

图2中的电路要与HART兼容，必须符合HART物理层规范。HART规范文档中包含了众多物理层规范。为了评估硬件性能，这里考虑的两项规格为静默期间的输出噪声和模拟变化率。

静默期间的输出噪声测试

当HART器件没有进行传输(静默)时，不应将HART扩展频带中噪声耦合到网络上。噪声过高可能会干扰设备本身或网络上其它设备对HART信号的接收。

对于在500 Ω负载上测得的电压噪声，其包含的HART扩展频带中的宽带噪声和相关噪声总和不能超过2.2 mV rms。此外，该频带外的噪声不应超过138 mV rms。

此噪声通过在500 Ω负载上连接HCF_TOOL-31滤波器(可从HART通信基金会获得)并将滤波器输出连接到真均方根测量仪来测量。用示波器来检查输出波形。

与前面的线性度测试类似，该测试也是同时使用线性和隔离开关电源进行的。用线性电源获得的噪声结果远远低于通过隔离开关电源取得的结果，但两种结果均在必要的HART额定值之内。

表6.静默时的输出噪声

输出噪声	扩展HART频率范围之内(小于2.2 mV的限值) (mV rms)	扩展HART频率范围之外(小于138 mV的限值) (mV rms)
线性电源	0.06	0.5
开关电源	0.3	2.7

图16. HCF_TOOL-31输入端静默波形下的输出噪声

模拟变化率

此规范可确保当设备调节电流时，模拟电流的最大变化率不会干扰HART通信。电流的阶跃变化会扰乱HART信号。最差情况下的模拟输出电流变化一定不能产生高于15 mV峰值电压的干扰，此数值在HART扩展频带下，通过对500 Ω负载进行测量得到。符合这一要求可确保模拟信号的最大带宽处于规定的直流至25 Hz频带中。

对于该测试，HCF_TOOL-31再次连接500 Ω负载，就如静默期间噪声测试中一样；同时将一个示波器连接至其输出端。这次，不是将AD5755-1输出设为一个固定的输出电流，而是将AD5755-1编程为输出周期波形，从4 mA切换至20 mA。为了达到要求的系统规格，通过AD5755-1的数字压摆率控制功能对输出电流变化幅度进行限制。该功能详见AD5755-1数据手册的“数字压摆率控制”部分。在该测试中，SR_CLOCK和SR_STEP分别设为64 kHz和16 LSB，得到64 ms的压摆时间，结果如图17所示。通道1显示AD5755-1 I _{OUT_A}在4 mA至20 mA范围内的信号阶跃，这是在500 Ω负载下检测的，并且连接到带通滤波器的输入端。滤波器的输出(增益系数为10)可在通道2上看到。峰值在前面提到的150 mV峰值限值之内。

图17.模拟变化率波形 (I_{OUT_A})

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