HART协议电流输出特性及应用指南
HART协议 HART（开放通信协议，用于可寻址远程传感器高速通道）支持在传统的 4mA 至 20mA 模拟电流回路中实现双向 1.2kHz/2.2kHz FSK（频移键控）数字通信。这便于传感器/执行器监控，并在设备安装、监控和维护过程中展现出显著优势。虽然 HART 通过便携式辅助设备为维护人员提供了诸多便利，方便他们查询传感器/执行器状态，但要充分发挥 HART 的优势，需要将传感器/执行器连接到配备 HART 兼容电流输入或输出的控制系统。本文重点介绍 HART 支持的电流输入，以及在空间受限的 4mA 至 20mA 输入设计中集成 HART 功能所面临的挑战。
我们首先来分析HART FSK发射机电路。图1展示了这种电路的传统设计。在对其进行分析之后，我们将提出一种优化版本，该版本能够节省空间并降低成本。
图 1. 传统 HART FSK 传输电路
如图 1 所示，Rsense 用于将 4mA 至 20mA 的信号转换为 ADC 可读取的 1V 至 5V 信号。HART FSK 传输电路通过电容 C1 将 ±500mV 的 HART FSK 信号交流耦合到 4mA 至 20mA 的环路。这些信号可以是正弦波或梯形波。由于 Rsense 的低阻抗以及电流环路电缆上可能存在的高电容，HART 调制解调器输出需要具有足够驱动能力的缓冲器。当 HART 信号不活动时，缓冲器输出的环路阻抗较低，这可能会影响 4mA 至 20mA 信号的传输。为了解决这个问题，开关 SW1 与缓冲器输出串联，以便在信号不活动期间提供高阻抗。
当开关 SW1 激活时，4mA 至 20mA 回路电压可能在 1V 至 5V 之间波动。由于这些波动与 SW1 交流耦合，开关的输入端可能会承受高达 ±4V 的电压。为了解决这个问题，开关可能需要一个 ±5V 或更高电压的双极性电源，或者选择光电开关。三态缓冲器是另一种可行的解决方案，但它可能也需要双极性电源。此外，还可以采用变压器隔离。考虑到 HART 信号频率，可能需要音频变压器，但这会导致元件体积较大，并占用大量的 PCB 空间。
图 2 展示了一种改进的 HART FSK 传输电路设计，该设计具有节省空间和降低成本的优势。在该电路中，AD5700 HART 调制解调器的驱动能力足以直接将 ±500mV FSK 信号驱动到电流环路中，而无需外部缓冲器。
图 2. 改进的 HART FSK 传输电路
当调制解调器不发送信号时，AD5700 的 FSK 输出端将偏置在 0.75V，阻抗为 70kΩ。电阻 R2 和 R3 提供增强的 0.75V 偏置，从而提供 1.7kΩ 的交流阻抗。该 1.7kΩ 阻抗与电容 C1 共同构成一个高通滤波器，即使在 4mA 至 20mA（25Hz 和 200Ω Rsense 时为 ±16mA）的最差输入条件下，也能确保稳定的输出性能。此配置将 HART 调制解调器的 FSK 输出驱动在 0V 至 1.5V 之间，使整个系统能够在低至 1.62V 的单极性电源下工作——满足 HART 调制解调器的最低供电电压要求。
另一个关键考虑因素是输入阻抗，它必须大于 230Ω。为了确保足够的输入阻抗，250Ω 的输入电阻被分成两个部分：50Ω 和 200Ω。交流输入阻抗的计算公式为 R1 + (Rsense||R2||R3) × 230Ω。如有必要，可以通过增大 0.75 Ω 偏置电阻（R2 和 R3）的值来提高该阻抗。虽然在 FSK 传输路径中添加一个额外的 50Ω 电阻可能会略微衰减 FSK 信号，但最终的电压电平仍然符合 HART 规范的要求。
由于电流环路工作在电压摆幅模式下，一部分电流会流过电容 C1、电阻 R2 和电阻 R3。必须确保这部分电流不会对 4mA 至 20mA 的模拟信号产生显著影响。小于 0.1% 的误差裕度可以视为可接受的误差贡献为时间常数 (τ) 的 7 倍。因此，7τ = 7×R×C = 7×(R2||R3)×C1 = 30ms。4mA 至 20mA 模拟信号的传输频率限制为 25Hz，对应的周期为 40ms。该值超过了 7 倍时间常数，这意味着额外的电流测量误差将始终保持在 0.1% 以下。改进后的电路设计（如图 2 所示）无需使用缓冲器、开关或双极电源。与传统的 HART FSK 传输电路相比，这三个组件显著降低了系统空间占用和成本。
图 3 所示为 HART FSK 输入电路。该设计包含一个带通滤波器，可抑制低频模拟信号传输，同时不受高频干扰的影响。滤波器配置专为 AD5700 传感器量身定制，并可能因 HART 调制解调器型号而异。该带通滤波器的一个关键特性是电阻 R1 提供的 150kΩ 输入阻抗，这显著提高了其抗瞬态噪声干扰的能力。
图 3. HART FSK 输入
图 4 所示为 4mA 至 20mA 量程的电流测量电路。一个 200Ω 的精密 Rsense 电阻将 4mA 至 20mA 的信号转换为 0.8V 至 4V 的电压信号，然后由 ADC 进行处理。该信号在输入 ADC 进行转换之前，会经过一个双极性低通滤波器（R2、C1、R3、C2）以抑制 HART FSK 干扰。
图 4. 电流测量电路
本文所述电路已成功构建和测试，可作为PLC/DCS四通道电压和电流输入的参考电路，同时保持与HART（CN0364）的兼容性。所述电路可完全在此电路板上实现，该电路板也支持跨四个输入通道的HART复用。在通道测试期间，FSK传输开关保持开启或关闭状态；当开关保持开启时，电路配置与图2所示相同。
本文概述了HART兼容模拟输入端的硬件实现。此外，本文还展示了一种采用AD5700 HART调制解调器的增强型HART FSK传输电路。改进后的设计无需外部缓冲器或开关，同时优化了PCB空间利用率并降低了成本。此外，该电路无需双极性电源，这不仅节省了空间和降低了成本，还简化了电源管理。