Ancho de banda flexible Entrada de corriente de 4 mA a 20 mA con compatibilidad fácil con HART
Los bucles de corriente analógica de 4 mA a 20 mA se encuentran comúnmente tanto en plantas de proceso como en entornos de fábrica. Si bien la señalización básica es la misma en ambos entornos, los requisitos de ancho de banda difieren significativamente. Los sistemas de control de fábrica pueden requerir anchos de banda de bucle de 100 Hz desde el sensor de posición y desplazamiento. Por otro lado, los sistemas de control de procesos típicos solo requieren velocidades actualizadas de unos pocos hercios y, a menudo, están habilitados para HART. El protocolo HART (transductor remoto direccionable en carretera) permite la comunicación digital modulada bidireccional FSK (modulación por cambio de frecuencia) de 1,2 kHz/2,2 kHz, sobre bucles de corriente analógicos tradicionales de 4 mA a 20 mA. Diseñar una entrada de 4 mA a 20 mA que se adapte a ambos escenarios puede ser un desafío. Este artículo describe un método para simplificar en gran medida dicho diseño.
El diagrama de circuito en la Figura 1 muestra un enfoque tradicional para implementar una entrada analógica habilitada para HART.
Figura 1. Entrada habilitada para HART con filtro pasivo.
R1 y RSENTIDO proporcionar una impedancia terminal del sistema de 250 Ω. La señal HART FSK se acopla en CA desde allí a un módem HART. La señal analógica de 4 mA a 20 mA se convierte mediante una precisión de 100 Ω RSENTIDO resistencia a una señal de tensión de 0,4 V a 2 V. El filtro de paso bajo analógico luego atenúa el componente HART FSK de la señal analógica antes de pasarla a un ADC. El filtro analógico de paso bajo de segundo orden tiene un ancho de banda de 25 Hz y una caída de –40 dB/década.
Este circuito cumple con las especificaciones HART y proporciona atenuación de una señal HART FSK a un nivel de más de –60 dB por debajo de la escala completa de 4 mA a 20 mA, lo que garantiza una perturbación de menos del 0,1 % de la entrada analógica de 4 mA a 20 mA por parte de HART. Comunicación FSK.
Por otro lado, este filtro de paso bajo analógico tarda casi 70 ms en establecerse dentro del 0,1 % después de un paso de escala completa en la entrada del sistema. El largo tiempo de establecimiento y el bajo ancho de banda no serían adecuados en los sistemas donde se requiere una operación rápida y no se necesita comunicación HART. De hecho, el filtro analógico podría omitirse, pero eso requeriría circuitos analógicos adicionales, como conmutadores o multiplexores.
La figura 2 muestra un enfoque alternativo a la entrada analógica habilitada para HART.
Figura 2. Entrada de ancho de banda flexible habilitada para HART.
De manera similar al circuito anterior, la señal HART FSK se acopla en CA desde una impedancia de entrada de 250 Ω y la señal analógica de 4 mA a 20 mA se convierte mediante un R de precisión de 100 Ω.SENTIDO resistencia a una señal de tensión de 0,4 V a 2 V. En este circuito, sin embargo, un filtro de paso bajo considerablemente más liviano limita el ancho de banda de la señal a aproximadamente 27 kHz, solo para brindar inmunidad al sistema y compatibilidad electromagnética (EMC). El filtro se establece en 0,1 % en 40 μs después de un paso de escala completa en la entrada del sistema.
Esta señal se pasa a un ADC ∑-∆ con un filtro digital integrado, por ejemplo, el AD7173 de ADI. El filtro digital se puede programar para un funcionamiento más lento y un rechazo óptimo de la señal HART FSK, o un funcionamiento rápido cuando se requiere una funcionalidad de entrada analógica rápida.
El filtro digital AD7173 tiene muchos modos de operación. Uno de los modos adecuados para rechazar la señal HART FSK es un filtro sinc3 con muesca establecida en 400 Hz, o submúltiplos, que proporciona una muesca de filtro profunda en la frecuencia más baja de HART FSK de 1,2 kHz y una atenuación significativa en la frecuencia más alta de 2,2 kHz. . El gráfico de la Figura 3 muestra la respuesta de frecuencia de este filtro digital y su comparación con el filtro analógico de la Figura 1.
Figura 3. Entrada habilitada para HART con filtro pasivo.
Desafortunadamente, el mundo real no es tan simple. Cuando se envía un mensaje completo a través de HART, el espectro de la señal modulada HART FSK no solo contiene energía en las frecuencias de modulación base, sino que también contiene componentes entre, por debajo y por encima de la portadora de 1,2 kHz y 2,2 kHz.
La figura 4 muestra un espectro típico del mensaje HART FSK en la entrada del ADC, así como el espectro atenuado por el filtro sinc3 con una muesca de 400 Hz. En este caso, el maestro envía el comando HART 3 y un esclavo responde a ese comando.
Figura 4. Espectro de mensajes HART.
A partir de esta figura, es evidente que una parte del mensaje HART, especialmente en las frecuencias más bajas, aún puede estar presente en los datos de salida de analógico a digital. Dicho esto, la configuración del filtro digital se puede modificar fácilmente para establecer el equilibrio adecuado entre la velocidad de entrada de 4 mA a 20 mA y el rechazo de la señalización HART FSK.
La Figura 5 muestra el rendimiento del sistema, medido como porcentaje de error con respecto a la escala completa de 4 mA a 20 mA, frente a la velocidad del sistema para el filtro analógico (que se muestra en la Figura 1) y el filtro digital sinc3 (que se muestra en la Figura 2) .
Figura 5. Filtro Sinc3 vs filtro analógico.
El filtro analógico está fijo en el hardware y tiene un tiempo de establecimiento fijo. Para señales analógicas que cambian rápidamente en la entrada del sistema, el error de salida del filtro analógico está dominado por su asentamiento lento. Por ejemplo, si la entrada del sistema cambiara a escala completa cada 40 ms, la salida del filtro no se establecería más cerca del 1% del valor correcto. Para las señales de entrada lentas, el error de salida del filtro analógico está dominado por su capacidad para rechazar los componentes de baja frecuencia de la señalización HART FSK. Este error se midió como aproximadamente el 0,09 % de la escala completa de 4 mA a 20 mA para un mensaje de comando 3 HART típico.
Por otro lado, el tiempo de establecimiento del filtro digital sinc3 es un parámetro establecido por el usuario, y el error en la salida del filtro causado por la señalización HART FSK corresponde a la configuración del filtro. Por ejemplo, el filtro sinc3 con la muesca de 400 Hz discutido anteriormente corresponde a un tiempo de estabilización de 7,5 ms, y cuando se comunica con el comando HART 3, la perturbación medida en el resultado de analógico a digital fue inferior al 0,4 % de los 4 mA a 20 mA escala completa. En un sistema con cuatro entradas analógicas, el filtro sinc3 se cambia secuencialmente entre los canales. El mismo filtro sinc3 con muesca de 400 Hz ahora necesita 4 × 7,5 = 30 ms para escanear los cuatro canales. Es por eso que la gráfica muestra el mismo error de ~0.4% a los 30 ms para el sistema de 4 canales.
Para una entrada más precisa de 4 mA a 20 mA, el filtro sinc3 se puede configurar en 30 ms, lo que corresponde a una muesca de 100 Hz y rechaza la señal HART a menos del 0,1 % de la escala completa. Si la velocidad es más valorada en el sistema, el filtro sinc3 con ajuste de 6 ms (muesca de ~500 Hz) aún rechaza la señal de comunicación HART por debajo del 0,5 % de la escala completa de 4 mA a 20 mA. Y si la velocidad es el único requisito y no se necesita comunicación HART, el AD7173 utilizado en nuestro ejemplo puede muestrear más de 31 kSPS con un tiempo de establecimiento de 161 μs por canal.
En conclusión, el filtro de paso bajo analógico tradicional es más fácil de entender y, por el precio de unos pocos componentes más por canal en la placa, en algunos casos puede brindar un mejor rendimiento de entrada analógica cuando se implementa en un sistema multicanal. Por otro lado, el filtro digital sinc3 integrado en un ADC ∑-∆ permite una flexibilidad significativa, que se puede ofrecer hasta el usuario final del sistema. La solución digital requiere menos hardware y, si se configura correctamente, su rendimiento en el filtrado de la señalización HART FSK es considerablemente mejor que la solución analógica en sistemas de un solo canal y comparable o mejor en sistemas de hasta 4 canales.
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