利用可寻址远程传感器数据通路(HART) 协议，过程测量与控制器件可通过传统4-20mA电流环路实现通信。这种协议使用1200 Hz和2200 Hz频率的移频键控(FSK)。此处，一个1200Hz 周期代表一个逻辑1，而两个2200Hz 周期代表逻辑0。由于FSK 波形的平均值始终为0，因此模拟4-20mA 信号不受影响。

    理想情况下，FSK 信号由叠加在DC 测量信号上的两个频率正弦波组成。但是，相连续FSK 正弦波的生成是一种十分复杂的过程。因此，为了简化HART 信号波形的生成过程，HART 规范的物理层对参数极限值进行了定义，标准化波形的振幅、形态和转换速率均不得超出这些参数极限值。在这种情况下，一种梯形波形非常适合于这种应用，图1 显示了其各个极限值。

图1 梯形HART电流波形的最小与最大值

    图2 所示HART 发送器提供了一种简单且低成本的解决方案，其产生一个梯形HART 波形，并将它叠加在一个可变DC 电平上，最终把产生的输出电压转换为电流环路。

图2 低成本HART 发送器

    HART FSK 信号（常常由本地微控制器单元[MCU] 生成），被应用于首个NAND 栅极(G1) 的输入端。MCU 的通用I/O 端口的第二个输出，起到一个有效高态“激活”（ENABLE）信号的作用。G1 控制两个远端NAND 栅极（G2和G3），其输出通过高阻抗分压器R₁ 和R₂ 连接到一起。

    由R₄ 和R₅ 组成的第二个分压器，将5V 电源分为一个V_REF = V_CC/2 的基准电压，即2.5V。只要“激活”为低电平，G2 的输出便为低态，而G3 输出为高态。由于高阻抗负载，NAND 输出拥有轨到轨功能；R₁=R₂ 时，A1 非反向输入V_IN 的输入电压也为2.5V。

    当“激活”为高态时，G2 和G3 输出相互换相，从而在V_IN 下形成一个小方波，其围绕V_REF 对称摆动。V_IN 的峰值到峰值振幅为：

    V_S 为正5V 电源，而R₁|| R₂ 为R₁ 和R₂ 的并联组合。

    把图2 的电阻值插入方程式得到V_IN（PP）=200Mv 的输入电压摆动，其让V_IN摆动位于2.4V和2.6V之间。当V_IN 升至2.6V 时，A1 的输出立即达到正饱和状态，并通过R₆ 和R₇ 对C₃ 充电。C₃ (V_HART) 的实际HART 电压线性上升，直到达到2.6V 为止。这时，放大器A1 迅速退出饱和状态，并起到一个电压跟随器的作用，从而将V_HART 保持在2.6V。当V_IN 下降至2.4V 时，A1输出进入负饱和状态，并通过R₆ 和R₇ 对C₃ 放电。之后，V_HART 线性下降，直到其达到2.4V 为止。这时，A1 退出饱和状态，并再次起到一个电压跟随器的作用，将V_HART 保持在2.4V。

    由此产生的梯形波形在振幅方面与V_IN 相等，并且围绕V_REF 做对称摆动。它的转换速率计算方法如下：

其中，V_SAT 为A1 的正或负输出饱和电压。

    由于V_HART 的AC 电流比V_SAT 小，因此V_HART 可以由其静态电平V_REF 得到近似值。另外，A1 轨到轨输出能力结合R₆ 负载高阻抗，可得到5V 和0V 的输出饱和电平。假设R₇ 远小于R₆，则前面表达式可简化为：

    如果我们把图2 的R6 和C3 组件值插入方程式，则梯形波形的转换速率结果为±1.25 V/ms。

    把V_HART (200Mv) 的峰值到峰值振幅调节为1mA HART 峰值到峰值电流信号，让1.25V/ms 电压转换速率相当于HART 电流信号中6.25 mA/ms 的电流转换速率，从而完全位于图1 所示极限值范围以内。

    要求使用R₇ 来将A1 输出隔离于大电容负载C₃，目的是维持闭环稳定性。具体要求值取决于A1 的单位增益带宽f_T 以及R₆ 和C₃ 的值。R₇ 的有效近似值计算方法如下：

   A1 必须具有相当宽的频率响应，并且其转换速率要明显快于HART梯形波形。OPA2374 是TI 一种低成本的双运算放大器，其拥有5 V/µs 的高转换速率和f_T = 6.5 MHz 的单位增益带宽。另外，放大器输出具有轨到轨驱动能力，其典型静态电流为每个放大器585 µA。

    第二个放大器A2 把HART 信号叠加于可变DC 电压V_DC 上。A2 输出电压V_OUT 变为：

使R8 到R11 值相等，可将上面方程式简化为：

   由于V_HART 由一个200Mv 梯形波形（围绕　V_REF　对称摆动）组成，因此A2输出仅包含叠加在可变DC 电平上的小HART波形。将V_OUT送入TI的XTR115电压到电流转换器，可使每个200mV V_DC 相当于1Ma 电流。因此，把　V_DC从0.8V 变为4.0V，相当于一个4-20Ma 电流范围。

   电阻器R₈ 到R₁₁ 值应足够大，以最小化对C₃ 充电电流的负载影响，但是又不能太大，以免A2 输入偏差电流引起误差。适当的电阻值可将V_REF 从V_OUT 完全消除，这样V_OUT = V_DC ± 100 mV。因此，R₄ 和R₅ 取值不当，或者电压电源存在差异，都不会对V_OUT 的DC 电流产生太大影响。

    XTR115 是一种双线、精密、电流输出转换器，其通过一个工业标准电流环路发送模拟4-20mA 信号。这种器件拥有精确的电流调节和输出电流限制功能。它的片上5V电压调节器用于为外部电路供电。为了确保对输出电流I_OUT的控制，电流返回引脚I_RET起到一个本地接地的作用，并对外部电路中使用的所有电流进行检测。它的输入级拥有100 的电流增益，其由两个激光修整增益电阻器R_G1 和R_G2 设置：

    因此，输入电流I_IN 产生输出电流I_OUT，其等于I_IN × 100。I_IN 的电势为0（参考I_RET）时，把输入电压转换为规定输出电流所要求的电阻器值为：

    因此，将200mV_PP HART电压转换为1mA电流，要求输入电阻为：

    另外，RIN对4-20mA电流范围的输入电压范围定义如下：

以及：

图3 HART 发送器信号通路的信号电压

结论

   简单运算放大器电路可用于为传统4-20mA 电流环路设计一个低成本的　HART 发送器。

   图3 显示了2V DC 输入时HART 传输期间不同测试点的信号电压。匹配差分放大器A2 的电阻器，移除了输出信号的V_REF 分量。因此，基准电压偏差对V_OUT 没有影响。这样，输出信号便围绕2V DC 输入做对称摆动。

参考资料

1、《HART介绍》（在线版），模拟服务公司（1999年8月9日），地址：www.analogservices.com/about_part0.htm

2、《工业自动化解决方案：传感器与现场发送器》，德州仪器公司（2012年3月9日）

3、《运算放大器性能优化》，作者Jerald G. Graeme，发表于1996年12月1日第一版《纽约：McGraw-Hill专业版》。

相关网站

接口技术：www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/interface.page

OPA2374：www.ti.com.cn/product/cn/OPA2374

SN74AHC00：www.ti.com.cn/product/cn/SN74AHC00

XTR115：www.ti.com.cn/product/cn/XTR115