图1所示电路是一款完整的智能工业环路供电现场仪器，提供 4 mA至20 mA模拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART^®) 接口。HART是一种数字双向通信，可在4 mA至20 mA模拟 电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。它可实现众多功能，例如远程校准、故障查询和过程变量传 输；这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是必须的。

该电路已通过兼容性测试和验证，并通过了HART通信基 金会(HCF)的注册。这一成功注册可让电路设计人员极其 放心地使用电路中的一个或全部元件。

该电路使用了超低功耗精密模拟微控制器 ADuCM360、4mA 至20 mA 16位环路供电数模转换器(DAC) AD5421 ，以及业界 功耗最低、尺寸最小的HART兼容型IC调制解调器 AD5700。

模拟前端接口

ADuCM360模拟前端集成双通道、高性能、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。同时还集成了可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性。该器件允许直接与多个模拟传感器对接，如压力传感器电桥、电阻式温度传感器、热电偶以及工业用途的其它各类传感器。

图1表示连接主要桥式传感器与辅助电阻式温度传感器的示例电路。而ADuCM360具有灵活的前端，允许进行除此之外的其它各种配置，满足各种类型的精密模拟传感器应用要求。

主传感器输入

ADuCM360的片内ADC0测量现场仪器的主传感器，在图1中表示为桥式传感器。该传感器通过一个RC滤波器网络连接至模拟输入引脚AIN0和AIN1，以便增强系统抵抗电磁干扰的能力。共模滤波器带宽约为16 kHz，差模带宽为800 Hz。

ADuCM360的VREF+和VREF−基准电压输入检测电桥的激励电压并启动电路的比率工作模式，使测量独立于传感器电源电压的确切值。若应用需要，则片内接地开关可动态断开电桥的激励电压，降低功耗。

辅助传感器输入

本电路使用100Ω铂(Pt)电阻温度检测器(RTD)作为辅助传感器。RTD能够检测主传感器的温度，因此，如果必要，可对主传感器进行温度补偿。

ADuCM360可编程电流源通过AIN4引脚为RTD提供电流。 ADuCM360上的ADC1利用配置为差分输入的AIN3和AIN2引脚，测量RTD的电压。利用精密电阻(RREF)，对流过RTD的确切电流值进行检测，并使用ADC1的AIN7引脚测得。ADC1使用片内带隙基准电压源。

数字数据处理、算法和通信

所有现场仪器的数字功能均由ADuCM36032位ARM Cortex™M3 RISC处理器提供，该处理器集成128 k字节非易失性fiash/EE存储器、8 k字节SRAM，以及一个支持有线(2× SPI、UART、I²C)通信外设的11通道直接存储器访问(DMA)控制器。

演示软件可进行初始化和配置、处理来自模拟输入的数据、控制模拟输出，并进行HART通信。

模拟输出

AD5421集成16位低功耗精密DAC，该DAC带4 mA至20 mA环路供电输出驱动器，可提供现场仪器模拟输出所需的全部功能。

AD5421通过SPI接口与ADuCM360控制器对接。

AD5421还集成了一系列与4 mA至20 mA环路相关的诊断功能。辅助ADC可通过连接至VLOOP引脚上的20 MΩ/1 MΩ电阻分压器测量仪器环路端的电压。该ADC还可通过内部传感器测量芯片温度。 ADuCM360控制器可配置并读取AD5421, 的全部诊断数据，但AD5421也可采用自主工作方式。

例如，若控制器和AD5421之间的通信发生故障， AD5421 将在一段时间后自动设置其模拟输出为3.2 mA报警电流。此报警电流将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

输出电流值的任何改变都受到软件的控制，以防对HART通信产生干扰。(参见“模拟变化率”部分)。

HART通信

AD5700 集成完整的HART FSK调制解调器。该调制解调器通过标准UART接口，伴随请求发送(RTS)和载波检测(CD)信号实现ADuCM360控制器的连接。

HART输出通过0.068 μF/0.22 μF容性分压器调整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引脚，然后与DAC输出一同驱动和调制输出电流。

被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤波器输入到AD5700的ADC_IP引脚。RC滤波器作为第一级，用作HART解调器的带通滤波器，同时增强系统抵抗电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的 应用而言非常重要。

AD5700低功耗振荡器采用与XTAL1和XTAL2引脚直接相连 的3.8664 MHz外部晶振，产生HART调制解调器的时钟。

输出保护

瞬变电压抑制器(TVS)保护4 mA至20 mA HART接口免受过 压影响。其额定电压不应超过AD5421 在REG_IN引脚上的60 V 绝对最大电压。请注意，TVS泄漏电流可能会影响电流输 出精度；因此，选用此器件时，需关注一定环路电压和温 度范围下的泄漏电流。

可使用外部耗尽型FET与 AD5421搭配工作，提高环路电压 最大值。

本电路具有保护功能，通过与环路输出相串联的一对二极 管保护电路免受极性反转的影响。

铁氧体磁珠与环路串联，该串联部分与4700 pF电容一同提 升系统的EMC性能。由于HART网络的规格限制，请勿在 环路端点处使用更高数值的电容。

4.7 V低泄露齐纳二极管保护AD5421的片内50 Ω环路检测电 阻免受 AD5421的COM引脚和LOOP−引脚间意料之外的外 部电压影响(例如，对ADuCM360编程或调试电路时)。

电源和电源管理

包括传感器驱动电流在内的完整现场仪器电路必须工作在 4 mA至20 mA环路提供的限量电源下。这对所有环路供电 现场仪器设计而言，都是一个普遍的难题。图1中的电路 提供了低功耗以及高性能解决方案的一个实例。应用中用 到的全部三个集成电路均针对低功耗而设计，并且电路依 靠各自的集成特性提供灵活的电源管理结构和性能最优的 环路供电解决方案。

AD5421采用4 mA至20 mA环路电压供电，为电路的其余部 分提供经过调节的低电压。依据电路的需求，AD5421 REG_OUT 电压可以编程在1.8 V至12 V范围内。图1中的电路采 用3.3 V电源电压选项，作为所用输入传感器的一个实例。 然而，由于ADuCM360和 AD5700 具有更宽的电源电压范 围，因此可采用不同的电源电压，以满足应用要求。

REG_OUT RC滤波器(10 μF/10 Ω/10 μF)有助于防止传感器模拟 前端受到来自环路的任何干扰的影响。它还能防止电路产 生的任何干扰(尤其是控制器和数字电路产生的干扰)回流 耦合至环路，这对于可靠的HART通信而言非常重要。

AD5700 HART调制解调器通过一个额外的RC滤波器供电 (470 Ω/1 μF)。该滤波器在环路供电应用中的作用非常重 要，因为它可防止AD5700的电流噪声与4 mA至20 mA环路 输出进行耦合；若非如此，将影响HART通信。在静默测 试期间，特地通过HART带内噪声解决4 mA至20 mA环路噪 声性能问题。AD5700调制解调器使用外部晶振，通过将 XTAL1和XTAL2上的8.2 pF电容接地，在可达到的功耗范围 中选择最低值。

ADuCM360具有极为灵活的内部电源管理功能，提供所有 内部模块的许多供电和时钟选项，并且当软件调用时，允 许针对特定的仪器应用，在要求的功能、性能和功耗之间 取得最佳平衡。请参考ADuCM360产品页面和 AN-1111应用指南。

模拟前端AVDD通过另一个滤波器(10 μF/铁氧体磁珠/1.6 Ω/ 10 μF)供电，以便最大程度针对低压传感器信号减少电源噪 声，获得更佳性能。

ADuCM360 的GND_SW接地开关引脚控制主传感器的激励 和电源。仪器上电时，开关默认为关闭。这一默认设定允 许在开启传感器之前对系统进行全面配置，包括适当的电 源模式，从而最大程度降低4 mA至20 mA环路输出上可能 存在的任何上电尖峰。

类似地，辅助传感器采用ADuCM360的可编程电流源供 电，因此可通过软件完全控制其电源输入。

ADuCM360 软件

可在CN-0267 设计支持包中找到演示本电路功能和性能的 基本代码示例。

代码示例包括基本HART从机命令响应，用于演示硬件的 功能和特性。代码示例不包括HART通信的协议层。