用于4~20mA電流環路的低成本HART發送器的設計

利用可尋址遠程傳感器數據通路（HART）協議，過程測量與控制器件可通過傳統4-20mA電流環路實現通信。這種協議使用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，FSK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規范的物理層對參數極限值進行了定義，標準化波形的振幅、形態和轉換速率均不得超出這些參數極限值。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發送器提供了一種簡單且低成本的解決方案，其產生一個梯形HART波形，并將它疊加在一個可變DC電平上，最終把產生的輸出電壓轉換為電流環路。

　　圖2:低成本HART發送器

　　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“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，而G3輸出為高態。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，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，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，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，并再次起到一個電壓跟隨器的作用，將VHART保持在2.4V.