如何设计一款低成本HART发送器

　　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。

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

　　其中，VSAT 为 A1 的正或负输出饱和电压。

　　由于 VHART 的 AC 电流比VSAT 小，因此 VHART 可以由其静态电平 VREF 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。