用于4~20mA电流环路的低成本HART发送器的设计

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VREF = VCC/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VIN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VIN下形成一个小方波，其围绕VREF对称摆动。VIN的峰值到峰值振幅为：

　　VS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VIN（PP）=200Mv的输入电压摆动，其让VIN摆动位于2.4V和2.6V之间。当VIN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 （VHART） 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VHART保持在2.6V.当VIN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，VHART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VHART保持在2.4V.