Bildergalerie
Bild 1: Das Prinzip der Hart-Kommunikation.
Bild 2: Blockdiagramm des AD5700-1.
Bild 3: AD5700/AD5700-1 Modulator-Signalverlauf.
Bild 4: AD5421 + AD5700: Loop-gespeiste Übertragung als Blockschaltung.
Bild 5: Beispiele für DAC-Wandler mit Stromausgang von Analog Devices für den Anschluss an die neuen Hart-Modem-ICs AD5700/AD5700-1.

Einchip-Hart-Modem mit niedrigem Stromverbrauch

Das Bauteil AD5700 ist das ersten komplette Hart-Modem-IC von Analog Devices. Es ist bei der „Hart Communication Foundation“ als Bestandteil einer „Smart Field Instrument“-Demo-Lösung registriert. Dieses Einchip-Hart-Modem verfügt laut Hersteller über den branchenweit niedrigsten Stromverbrauch. Es erledigt Encoding und Decoding von HART-Kommunikationssignalen in rauen Industrieumgebungen mit hohen Rauschanteilen. Zusätzlich dazu bietet Analog Devices auch komplette HART-Lösungen – von Mikrocontroller-Produkten über Verstärker und Präzisionsreferenzen, Schalter und ADCs bis hin zu DACs mit Stromausgang.

Die primäre Form der Kommunikation die in Analog-Transmittern verwendet wird, ist die 4-20 mA-Kommunikation. Sie ist zuverlässig, robust und immun gegenüber umweltbedingten Interferenzen über lange Kommunikationsstrecken. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch, dass das 4-20 mA-Konzept nur die Kommunikation in eine Richtung erlaubt und auch nur eine Prozessvariable übertragen kann. Die Entwicklung des Hart-Standards lieferte mit zusätzlichen digitalen Kommunikationsmöglichkeiten die Grundlage zur Realisierung „intelligenter“ Transmitter. Dabei können die gleichen verdrillten Zweidrahtleitungen verwendet werden, wie sie auch herkömmliche 4-20 mA-Messgeräte nutzen. Erreicht wird dies durch Modulation eines 1 mAss FSK-Signals (Frequency-Shift Keyed) auf das 4-20 mA-Analogsignal ohne Unterbrechung der Übertragung des ursprünglichen Wertes. Vereinfacht ausgedrückt ist das Hart-Protokoll der globale Standard zum Senden und Empfangen digitaler Information über Analogleitungen zwischen intelligenten Geräten und einem Steuerungs- oder Überwachungssystem.

Das Bauteil AD5700 ist das erste komplette Hart-Modem-IC von Analog Devices. Es ist bei der „Hart Communication Foundation“ als Bestandteil einer Smart Field Instrument-Demo-Lösung registriert. Aufbauend auf dem Know-how in der Signalverarbeitung wurde ein Einchip-Hart-Modem mit dem branchenweit niedrigsten Stromverbrauch entwickelt. Das Hart-Modem erledigt das Encoding und Decoding von Hart-Kommunikationssignalen in rauen Industrieumgebungen mit hohen Rauschanteilen.

Der Anwender profitiert von einer zuverlässigen Kommunikationsschnittstelle, die sich schnell und einfach implementieren lässt und bei der Hart Communication Foundation registriert werden kann. Das komplette Hart-Modem-IC enthält alle erforderlichen Funktionen wie Filter, Signalerkennung, Modulation, Demodulation und Signalerzeugung (Bild 2). Diese hohe Integrationsdichte senkt die Zahl der erforderlichen externen Bauteile und spart Platz auf der Leiterplatte. In der Praxis kommt das Modem gegenüber Alternativen mit 60 Prozent weniger Bauteilen aus und kann über 75 Prozent Platz auf dem Board sparen. Es wird angeboten in 4 mm x 4 mm großen 24-poligen LFCSP. Versorgt wird es mit einer einfachen Spannung von 2 bis 5,5 V und arbeitet im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +125 °C.

Hauptfunktionsblöcke für die Modulation

In Bild 3 sind die Hauptfunktionsblöcke für die Modulation ersichtlich: FSK DDS-Engine (Direct Digital Synthesis), String-DAC und Puffer. Der Modulator wird aktiviert, indem man das /RTS-Signal (Request To Send) auf Low-Potenzial bringt. Der Modulator wandelt einen Bitstrom von UART-encodierten Hart-Daten am TXD-Eingang in eine Sequenz von 1200 Hz- und 2200 Hz-Signalen (Bild 3) um. Dies geschieht, indem eine DDS-Engine mit nachgeschaltetem D/A-Wander verwendet wird. Das Sinussignal wird intern gepuffert und am Pin HART_OUT ausgegeben. Die DDS-Engine erzeugt Signale mit kontinuierlicher Phase und vermeidet  somit eine ausgangsseitige Diskontinuität beim Umschalten zwischen den Frequenzen. Ein sehr bedeutender Vorteil der internen Pufferung an HART_OUT ist die daraus resultierende High-Drive-Fähigkeit. Damit lassen sich kostspielige Analogpuffer und zeitraubendes Debugging einsparen. Der HART_OUT-Pin ist mit DC auf 0,75 V vorgespannt und sollte kapazitiv an die Last gekoppelt sein. Sobald sich /RTS auf logischem High-Pegel befindet, ist der Modulator deaktiviert und der Demodulator aktiviert. Somit sind diese Bauteile AD5700/AD5700-1 im Empfangsmode. In dieser Betriebsart sind die relevanten Blöcke das interne Bandpassfilter, der ADC und die DSP-Engine. High-Pegel an CD (Carrier Detect) bedeutet, ein gültiges Trägersignal ist vorhanden. Der Empfänger demoduliert das FSK-modulierte Signal am HART_IN-Pin. Die demodulierten Daten werden über den RXD-Pin an der UART-Schnittstelle an den Host-Prozessor geschickt. Durch die Empfängerarchitektur, die gewählt wurde, ist der AD5700 in rauen Industrieumgebungen absolut robust gegenüber Rauschen und Interferenzen. Eine Kombination aus analoger und digitaler Filterung sorgt für sehr gute Empfindlichkeit und korrekte Ausgangssignale am RXD-Pin.

Zwei Möglichkeiten zur Konfiguration des Filters

Der Hart-Bitstrom entspricht einem Standard-UART-Frame mit einem Start-Bit, 8 bit Daten, einem Parity-Bit und einem Stop-Bit. Im Demodulationsbetrieb bieten die Bauteile zwei Möglichkeiten zur Konfiguration des Filters: ein internes Filter (Hart-Signal liegt an HART_IN) und ein externes Filter (Hart-Signal liegt an ACP_IP). Das externe Filter unterstützt auch explosionsgeschützte und eigensichere Systeme mit dem Hart-Modem-IC. Dieser besteht aus einem 150 kΩ-Widerstand, der den Strom auf einen ausreichend niedrigen Pegel begrenzt, damit die Sicherheitsanforderungen eingehalten werden. In sicherheitsrelevanten Anwendungen, in denen die Bauteile vom hohen Pegel der Schleifenspannung isoliert werden müssen, ist es ratsam, die externe Filteroption einzusetzen. Der Eingang hat einen höheren Transienten-Spannungsschutz und sollte  keine zusätzlichen Schutzschaltungen erfordern – auch nicht in anspruchsvollsten Industrieumgebungen.

Die drei restlichen Funktionsblöcke in Bild 2 sind die UART-Schnittstelle, die interne Referenz und der Oszillator (Quarz-Oszillatorblock am AD5700/AD5700-1 und interner RC-Oszillator nur am AD5700-1). Die UART-Schnittstelle wurde bereits oben erwähnt. /RTS & TXD sind die wichtigen Signale für die Modulation, während CD & RXD für die Demodulationsfunktion wichtig sind. Der AD5700 enthält auch eine interne 1,5 V-Referenz und zugehörige Puffer. Alternativ akzeptiert er eine externe 2,5 V-Referenz, die nur verwendet werden kann, wenn die AVDD-Versorgung über 2,7 V liegt. Ob die interne oder die externe Referenz verwendet wird, lässt sich über die Polarität des REF_SEL-Pins bestimmen. Hinsichtlich Taktung unterstützt dieses Modem zahlreiche Taktkonzepte. Dies ermöglicht einfache und preiswerte Lösungen. Es kann einen externen Quarz, Keramikresonator oder den CMOS-Eingang nutzen. Der AD5700-1 ist das erste Hart-Modem-IC welches einen internen Oszillator mit 0,5 Prozent Genauigkeit und geringem Stromverbrauch enthält. Dies wiederum reduziert die Zahl der externen Schaltungen sowie die Kosten. Die hohe Funktionsdichte auf dem Chip vereinfacht die Entwicklung Hart-kompatibler Systeme erheblich und liefert als Ergebnis zuverlässige, kosteneffiziente, robuste und vernetzbare Lösungen.

Anwendungsbeispiel mit geringer Stromaufnahme

Nach der Vorstellung des Konzepts der Hart-Kommunikation und dieses neuen Hart-Modem-ICs könnte man fragen, warum ein geringer Stromverbrauch so wichtig ist. Bild 4 zeigt, wie das AD5700/AD5700-1 Hart-Modem mit dem AD5421 und einem neuen Mikrocontroller zur Entwicklung einer schleifengespeisten Übertragungsschaltung verbunden werden kann. Die Schaltung hat Konformitätstests durchlaufen, wurde überprüft und von der Hart Communication Foundation als eine zugelassene Hart-Lösung registriert. Die wichtigste Auflage in solchen 4-20 mA schleifengespeisten Anwendungen ist, dass die gesamte Schaltung weniger als 3,5 mA aufnimmt (die „Low Alarm“-Einstellung, 0,5 mA unter dem 4 mA Signal-Floor). Hier wird die Low-Power-Spezifikation des AD5700 am wichtigsten. Es zählt jedes Mikroampere. Nimmt jedes IC der Entwicklung möglichst wenig Strom auf, kann das Budget von 3,5 mA eingehalten werden. Die Anwendung wird wie gewünscht funktionieren. Mit einer typischen Stromaufnahme von 124 µA beziehungsweise 86 µA in der Übertragungs- oder Empfangsbetriebsart und zugehörigen Maximalwerten von 140 oder 115 µA wird der Modem-IC nicht wesentlich zur gesamten Strombilanz beitragen.

Beispiel eines 4-20 mA DACs

Bild 5 zeigt das Beispiel eines 4-20 mA DACs. Das Hart-Modem AD5700 wurde für die einfache Anbindung an diese Produkte entwickelt. Der AD5421 wurde bereits im Hinblick auf schleifengespeiste intelligente Transmitter-Anwendungen erwähnt. Beim AD5422 handelt es sich um einen 16-bit-DAC mit Spannungs- und Stromausgang. Das Bauteil eignet sich für Messgeräte für den Feldeinsatz oder Analog-I/O-Karten. Der AD5755-1 ist ein neuer vierkanaliger 16-bit-DAC mit innovativer dynamischer Power-Control-Technologie für Mehrkanalanwendungen. Analog Devices kann mit Wandlern, Verstärkern und Hart-Modems, die optimal aufeinander abgestimmt sind, die komplette Signalkette abdecken. Die Kombination aus industrietauglichen Wandlern und den Bauteilen AD5700/AD5700-1 vereinfacht Systementwicklungen, sorgt für höhere Zuverlässigkeit und ermöglicht den schnellen und einfachen Einsatz Hart-konformer Systeme.