利用可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路(HART) 協(xié)議，過程測量與控制器件可通過傳統(tǒng)4-20mA電流環(huán)路實現(xiàn)通信。這種協(xié)議使用1200 Hz和2200 Hz頻率的移頻鍵控(FSK)。此處，一個1200Hz 周期代表一個邏輯1，而兩個2200Hz 周期代表邏輯0。由于FSK 波形的平均值始終為0，因此模擬4-20mA 信號不受影響。
理想情況下，F(xiàn)SK 信號由疊加在DC 測量信號上的兩個頻率正弦波組成。但是，相連續(xù)FSK 正弦波的生成是一種十分復雜的過程。因此，為了簡化HART 信號波形的生成過程，HART 規(guī)范的物理層對參數(shù)極限值進行了定義，標準化波形的振幅、形態(tài)和轉(zhuǎn)換速率均不得超出這些參數(shù)極限值。在這種情況下，一種梯形波形非常適合于這種應用，圖1 顯示了其各個極限值。
圖1 梯形HART電流波形的最小與最大值
圖2 所示HART 發(fā)送器提供了一種簡單且低成本的解決方案，其產(chǎn)生一個梯形HART 波形，并將它疊加在一個可變DC 電平上，最終把產(chǎn)生的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流環(huán)路。
圖2 低成本HART 發(fā)送器
HART FSK 信號（常常由本地微控制器單元[MCU] 生成），被應用于首個NAND 柵極(G1) 的輸入端。MCU 的通用I/O 端口的第二個輸出，起到一個有效高態(tài)“激活”（ENABLE）信號的作用。G1 控制兩個遠端NAND 柵極（G2和G3），其輸出通過高阻抗分壓器R1 和R2 連接到一起。
由R4 和R5 組成的第二個分壓器，將5V 電源分為一個VREF = VCC/2 的基準電壓，即2.5V。只要“激活”為低電平，G2 的輸出便為低態(tài)，而G3 輸出為高態(tài)。由于高阻抗負載，NAND 輸出擁有軌到軌功能；R1=R2 時，A1 非反向輸入VIN 的輸入電壓也為2.5V。
當“激活”為高態(tài)時，G2 和G3 輸出相互換相，從而在VIN 下形成一個小方波，其圍繞VREF 對稱擺動。VIN 的峰值到峰值振幅為：
VS 為正5V 電源，而R1|| R2 為R1 和R2 的并聯(lián)組合。
把圖2 的電阻值插入方程式得到VIN（PP）=200Mv 的輸入電壓擺動，其讓VIN擺動位于2.4V和2.6V之間。當VIN 升至2.6V 時，A1 的輸出立即達到正飽和狀態(tài)，并通過R6 和R7 對C3 充電。C3 (VHART) 的實際HART 電壓線性上升，直到達到2.6V 為止。這時，放大器A1 迅速退出飽和狀態(tài)，并起到一個電壓跟隨器的作用，從而將VHART 保持在2.6V。當VIN 下降至2.4V 時，A1輸出進入負飽和狀態(tài)，并通過R6 和R7 對C3 放電。之后，VHART 線性下降，直到其達到2.4V 為止。這時，A1 退出飽和狀態(tài)，并再次起到一個電壓跟隨器的作用，將VHART 保持在2.4V。
由此產(chǎn)生的梯形波形在振幅方面與VIN 相等，并且圍繞VREF 做對稱擺動。它的轉(zhuǎn)換速率計算方法如下：
其中，VSAT 為A1 的正或負輸出飽和電壓。
由于VHART 的AC 電流比VSAT 小，因此VHART 可以由其靜態(tài)電平VREF 得到近似值。另外，A1 軌到軌輸出能力結(jié)合R6 負載高阻抗，可得到5V 和0V 的輸出飽和電平。假設R7 遠小于R6，則前面表達式可簡化為：
如果我們把圖2 的R6 和C3 組件值插入方程式，則梯形波形的轉(zhuǎn)換速率結(jié)果為±1.25 V/ms。
把VHART (200Mv) 的峰值到峰值振幅調(diào)節(jié)為1mA HART 峰值到峰值電流信號，讓1.25V/ms 電壓轉(zhuǎn)換速率相當于HART 電流信號中6.25 mA/ms 的電流轉(zhuǎn)換速率，從而完全位于圖1 所示極限值范圍以內(nèi)。
要求使用R7 來將A1 輸出隔離于大電容負載C3，目的是維持閉環(huán)穩(wěn)定性。具體要求值取決于A1 的單位增益帶寬fT 以及R6 和C3 的值。R7 的有效近似值計算方法如下：
A1 必須具有相當寬的頻率響應，并且其轉(zhuǎn)換速率要明顯快于HART梯形波形。OPA2374 是TI 一種低成本的雙運算放大器，其擁有5 V/µs 的高轉(zhuǎn)換速率和fT = 6.5 MHz 的單位增益帶寬。另外，放大器輸出具有軌到軌驅(qū)動能力，其典型靜態(tài)電流為每個放大器585 µA。
第二個放大器A2 把HART 信號疊加于可變DC 電壓VDC 上。A2 輸出電壓VOUT 變?yōu)椋?/p>
使R8 到R11 值相等，可將上面方程式簡化為：
由于VHART 由一個200Mv 梯形波形（圍繞 VREF 對稱擺動）組成，因此A2輸出僅包含疊加在可變DC 電平上的小HART波形。將VOUT送入TI的XTR115電壓到電流轉(zhuǎn)換器，可使每個200mV VDC 相當于1Ma 電流。因此，把 VDC從0.8V 變?yōu)?.0V，相當于一個4-20Ma 電流范圍。
電阻器R8 到R11 值應足夠大，以最小化對C3 充電電流的負載影響，但是又不能太大，以免A2 輸入偏差電流引起誤差。適當?shù)碾娮柚悼蓪REF 從VOUT 完全消除，這樣VOUT = VDC ± 100 mV。因此，R4 和R5 取值不當，或者電壓電源存在差異，都不會對VOUT 的DC 電流產(chǎn)生太大影響。
XTR115 是一種雙線、精密、電流輸出轉(zhuǎn)換器，其通過一個工業(yè)標準電流環(huán)路發(fā)送模擬4-20mA 信號。這種器件擁有精確的電流調(diào)節(jié)和輸出電流限制功能。它的片上5V電壓調(diào)節(jié)器用于為外部電路供電。為了確保對輸出電流IOUT的控制，電流返回引腳IRET起到一個本地接地的作用，并對外部電路中使用的所有電流進行檢測。它的輸入級擁有100 的電流增益，其由兩個激光修整增益電阻器RG1 和RG2 設置：
因此，輸入電流IIN 產(chǎn)生輸出電流IOUT，其等于IIN × 100。IIN 的電勢為0（參考IRET）時，把輸入電壓轉(zhuǎn)換為規(guī)定輸出電流所要求的電阻器值為：
因此，將200mVPP HART電壓轉(zhuǎn)換為1mA電流，要求輸入電阻為：
另外，RIN對4-20mA電流范圍的輸入電壓范圍定義如下：
以及：
圖3 HART 發(fā)送器信號通路的信號電壓
結(jié)論
簡單運算放大器電路可用于為傳統(tǒng)4-20mA 電流環(huán)路設計一個低成本的 HART 發(fā)送器。
圖3 顯示了2V DC 輸入時HART 傳輸期間不同測試點的信號電壓。匹配差分放大器A2 的電阻器，移除了輸出信號的VREF 分量。因此，基準電壓偏差對VOUT 沒有影響。這樣，輸出信號便圍繞2V DC 輸入做對稱擺動。
參考資料
1、《HART介紹》（在線版），模擬服務公司（1999年8月9日），地址：www.analogservices.com/about_part0.htm
2、《工業(yè)自動化解決方案：傳感器與現(xiàn)場發(fā)送器》，德州儀器公司（2012年3月9日）
3、《運算放大器性能優(yōu)化》，作者Jerald G. Graeme，發(fā)表于1996年12月1日第一版《紐約：McGraw-Hill專業(yè)版》。
相關網(wǎng)站
接口技術：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/interface.page
OPA2374：www.ti.com.cn/product/cn/OPA2374