提高4-20mA電流迴路HART相容性 數位SINC濾波器扮要角
4-20mA類比電流迴路最常在加工廠以及製造廠環境當中看到。雖然基本的訊號發送相同，但對於頻寬需求則有著顯著不同。工廠控制系統可能需要來自位置與位移感測器的數百赫茲迴路頻寬，另一方面，典型的製程控制系統只需要數個赫茲的更新速率，同時也往往是高速可尋址遠端換能器(HART)致能的。HART通訊協定允許在傳統類比4-20mA電流迴路中進行雙向1.2kHz/2.2kHz頻率位移鍵(FSK)調變數位通訊，設計能同時迎合此兩種情況的4-20mA輸入是項挑戰，本文將概述一個能簡化此種設計的方法。
圖1當中的電路圖為執行HART致能類比輸入的一種傳統方案。R1以及RSENSE提供250Ω的系統終端阻抗。HART FSK訊號會從那裡被AC耦合至HART數據機當中。4-20mA的類比訊號藉由精密的100RSENSE電阻轉換成0.4-2伏特(V)電壓的訊號，接著類比低通濾波器會將類比訊號中的HART FSK成分在傳往A/D轉換器之前予以衰減，此二階低通類比濾波器具有25Hz以及-40dB/decade的衰減率。
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| 圖1 使用被動式濾波器的HART致能輸入 |
此電路與HART規格相容，並且提供HART FSK訊號衰減至4-20mA全標度以下超過-60dB的位準，進而確保HART FSK通訊在4-20mA類比輸入低於0.1%的擾動。
數位濾波器可編程 最佳化HART FSK訊號拒斥
另一方面，該類比低通濾波器在系統輸入一全標度步階後，需要將近70ms的時間來穩定至0.1%以內，較長穩定時間，以及較低頻寬並不適用在須快速運作，而且不須HART通訊的系統，類比濾波器確實可繞過，但將需要額外的類比電路，譬如開關或是多工器等。
圖2所示為HART致能類比輸入的替代方案。與先前的電路相類似，HART FSK訊號是由250Ω輸入阻抗加以AC耦合，而4-20mA類比訊號則會由一組精密的100ΩRSENSE電阻加以轉換為0.4-2V的電壓訊號。然而在此電路中，一個輕微的低通濾波器會將訊號頻寬限制在大約27kHz，剛好用以提供系統抗擾性與電磁相容性(EMC)，濾波器在每一次對系統輸入的全標度步階後會於40μs內穩定至0.1%。
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| 圖2 HART致能、彈性化頻寬輸入 |
此訊號被傳送至有內建數位濾波器的積分三角A/D轉換器，例如亞德諾的AD7173當中。數位濾波器能加以編程，以便進行較慢的作業與最佳化的HART FSK訊號拒斥，或需快速類比輸入功能的快速作業。
該款數位濾波器具有許多種作業模式，其中一種適用於拒斥HART FSK訊號的模式，是缺口設定在400Hz的SINC3濾波器，使其在1.2kHz的較低HART FSK頻率下提供深層濾波器缺口，以及在2.2kHz較高頻率下提供顯著衰減。圖3顯示出此數位濾波器的頻率響應，以及與圖1之類比濾波器的比較。
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| 圖3 使用被動濾波器的HART致能輸入 |
HART FSK調變訊號頻譜 包含能量和載波成分
HART FSK調變訊號頻譜 包含能量和載波成分
不幸的是，真實世界並非如此簡單。當完整訊息經由HART傳送時，HART FSK調變訊號頻譜不僅在基本調變頻率中包含能量，同時也包含低於、介於，以及高於1.2kHz與2.2kHz載波之間的成分。
圖4所示為A/D轉換器輸入中HART FSK訊息的典型頻譜，以及在經過SINC3濾波器以400Hz缺口衰減後的頻譜，在此狀況中，控制端傳送HART指令3，而從動端則對該指令加以回應。
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| 圖4 HART訊息頻譜 |
從該圖表中可明顯看出，HART訊息的一部分，特別是位於較低頻率者，可能仍會出現在A/D輸出資料中。然而，數位濾波器設定可被輕易改變，藉以在4-20mA輸入速度與HART FSK訊號發送的拒斥之間設定出適當的平衡。
圖5所示為對應於4-20mA全標度百分比誤差進行量測的系統性能，相對於類比濾波器(參照圖1)與SINC3數位濾波器(參照圖2)系統速度的圖表。
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| 圖5 SINC3濾波器相對於類比濾波器 |
類比濾波器的硬體是固定的，並且具有固定的穩定時間。對於系統輸入中快速改變的類比訊號，類比濾波器的輸出誤差都是因其慢速的穩定時間所導致。舉例來說，假如系統輸入每40ms會有一次全標度改變，類比濾波器輸出便不會有比正確值1%更低的穩定時間，對於慢速的輸入訊號而言，類比濾波器輸出會因為其拒斥HART FSK訊號發送中低頻率成分的能力而造成誤差，此誤差經過量測為近似典型HART指令3訊息：4-20mA全標度的0.09%。
數位濾波器實現較佳彈性
另一方面，數位SINC3濾波器的穩定時間是一個可由使用者設定的參數，由HART FSK訊號發送對應於濾波器設定所導致的濾波器輸出誤差亦相同。舉例來說，先前討論過具有400Hz缺口的SINC3濾波器對應7.5ms的穩定時間，而在以HART指令3通訊時所測得之A/D中的擾動會低於4-20mA全標度的0.4%。在具有四組類比輸入的系統當中，濾波器SINC3濾波器會在通道之間依序進行切換，同樣具有400Hz缺口的SINC3濾波器現在需要4×7.5=30ms才能掃描這四組通道，這便是為何圖表中顯示四通道系統在30ms下有相同的近似0.4%誤差。
針對更加精確的4-20mA輸入，SINC3濾波器可設定為30ms的穩定時間，對應於100Hz缺口，而且HART訊號的拒斥可低於全標度的0.1%。若速度在系統中具有價值，那麼具有6ms穩定時間(~500Hz缺口)的SINC3濾波器仍可拒斥HART通訊訊號低於4-20mA全標度的0.5%。實際上若速度是唯一需求，而HART通訊為非必要的話，則在範例所使用的積分三角A/D轉換器能以每通道161μs的穩定時間、超過31ksps的速度取樣。
傳統類比低通濾波器較易了解，在多通道系統中執行時，以電路板每通道較多元件的代價，在某些情況下可換得較佳類比輸入性能；整合在積分三角A/D轉換器中的數位SINC濾波器實現較佳彈性，能提供到終端的系統使用者。數位解決方案所需硬體較少，而且假如設定得當，其過濾HART FSK訊號發送性能，將優於單通道系統中的類比解決方案。
