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HART调制解调器SYM20C15应用设计
HART调制解调器SYM20C15应用设计
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摘要：介绍HART调制解调器芯片SYM20C15的工作原理及其电路模块，给出其典型应用电路。该芯片专为实现HART协议而设计，与微处理器的接口简单、功耗低，被大量应用于HART智能仪表。 关键词：HART通信协议 调制解调器 智能变送器工业控制仪表普通采用4～20mA标准。为拓展现有仪表功能，在模拟信号基础上须增加数字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）现场通信协议。SYM20C15是
& 摘要：介绍HART调制解调器芯片SYM20C15的工作原理及其电路模块，给出其典型应用电路。该芯片专为实现HART协议而设计，与微处理器的接口简单、功耗低，被大量应用于HART智能仪表。HART通信协议 调制解调器 智能变送器工业控制仪表普通采用4～20mA标准。为拓展现有仪表功能，在模拟信号基础上须增加数字通信能力。目前，大量使用的Rosemount公司研制的HART（High Addressable Remote Transducer）现场通信协议。SYM20C15是专为实现HART协议而设计的调制解调器芯片。1 HART通信协议简介HART通信协议使用频移键控FSK（Frequency Shift Keying）技术，将数字信号变换为音频信号，叠加到现场变送器和控制室之间的4～20mA电流环上来作数字通信。协议规定的信号频率（1200Hz代表1，2200Hz代表0）和传输速率（1200bit/s）符合美国Bell 202标准。这些音频正弦波的平均值为零，所以在现存的模拟信号中不增加直流成分，因此，在2根线上可以同时传送互不影响的模拟和数字信号。正是由于HART协议的这种优点，使它成为工业现场广泛应用的、事实上的工业标准。2 SYM20C15引脚说明和特点（1）SYM20C15引脚说明&&& SYM20C15为28脚PLCC封装，其引脚说明如表1所列。表1 SYM20C15引脚说明引& 脚名& 称类& 型功能描述备& 注1,5,7,8,9,14　　测试接地2,3,4,25,28　　测试空6/RESET输入复位低电平复位10OTXA输出调制器输出　11IAREF输入参考电压供电电源3.3V时接1.235V；供电电源5.0V时接2.5V12ICDREF输入载波检测参考电压IAREF-ICDREF=80mV13OCBIAS　设置工作电流电源3.3V时连接500kΩ电阻到地；电源5.0V时连接1MΩ电阻到地15,22VDDA,VDD　电源接3.3V或5.0V16IRXA输入模拟接收滤波器输入　17ORXAF输出模拟接收滤波器输出　18IRXAC输入模拟接收比较器输入　19OXTL输出振荡器输出460kHz20IXTL输入振荡器输入或接外部时钟21Vss　地　23INRTS输入发送请求低电平选择调制工作方式24ITXD输入调制器输入　26ORXD输出解调器输出　27OSD输出载波检测　（2）SYM20C15特点*符合HART协议物理层规范；*单片CMOS、低功耗、FSK调制解调器；*符合Bell 2020标准，传输率1200bit/s，半双工；*单电源3.3～5V供电；*需外部提供460.8kHz时钟；*5V供电时TTL兼容。3 SYM20C15工作过程SYM20C15是专为实现HART协议而设计的低功耗调制解调器。它包含几乎怕有在4～20mA模拟现场仪表上叠加HART通信协议所需的电路，只需外接少量元件即可构成HART协议的完整应用。SYM20C15包含4个主要模块：时钟模块、调制器模块、解调器模块、载波检测模块。（1）调制过程当INRTS引脚为低电平时，调制器工作，解调器关闭。调制器模块接收由ITXD引脚输入的不归零制（NRZ）数字信号，生成FSK调制信号由OTXA引脚输出。图1为调制过程波形。ITXD引脚为高电平时，OTXA引脚输出1200Hz的梯形波；ITXD引脚为低电平时，OTXA引脚输出2200Hz的梯形波。OTXA输出通常需要和放大器或缓冲器进行交流耦合，输出电压幅度由IAREF引脚上的参考电压决定，其波形示意如图2所示。&&& 图2中VQ为OTXA上的静态电压（非调制状态），VREF为IAREF引脚上的参考电压。VREF为1.235V时，VQ为0.5V，信号电压0.25～0.75V，这正好满足HART主设备连接到网络上的电压要求。但由于OTXA没有足够的驱动能力直接接入HART网络，所以需要连接一个缓冲放大器。在工业现场仪表的应用中，通常将OTXA上的0.5V峰-峰电压输出转换为1mA峰-峰电流输出。（2）解调过程图3为解调过程波形。当INRTS引脚为高电平时，解调器工作，调制器关闭。接收到的信号需经过一个带通滤波器。这个滤波器的一部分被集成到SYM20C51内部，其余元件外接，用以降低电源变化带来的影响。整个带通滤波器由1个单极点低通滤波器和1个四极点高通滤波器构成。SYM20C15需要IAREF和ICDREF两个电压参考源。IAREF为芯片内部的放大器和比较器提供电压基准，通常为1.235V。ICDREF用于载波检测，应比IAREF低0.08V。图4为SYM20C15解调电路原理图。（3）载波检测当IRXAC上的电压小于ICDREF时，图4中的比较器CDCMP输出逻辑电平。这个输出被引入一个载波检测模块，当INRTS为高且有4个连续脉冲到达时，OCD置高，下一个有效脉冲必须在2.5ms内被接收才能使OCD保持高电平。（4）时钟模块&&& 芯片正常工作需要460.8kHz的时钟信号，可在引脚OXTL和IXTL间连接1个晶体或隐瓷谐振器，或在引脚OXTL上连接外部时钟，同时将引脚IXTL接地。4 SYM20C15应用电路图5为使用SYM20C15设计的一个HART从设备的典型应用电路。SYM20C15的UART接口可以很谁地与微处理器进行连接。
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设计应用分类
&&& 在今年初于法国Grenoble举行的欧洲3D TSTWL6041 | 应用特定多路输出解决方案 | 电源管理 | 描述与参数
|C0|0|0|0|2|0|4
&&&&&&&&&&&&
TWL6041 数据表
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工具与软件
相关终端应用
TWL6041 器件是一款高集成度的音频编码器/解码器 (codec)，此器件为中所示的便携式应用提供模拟音频编解码器的功能。 它包含多重音频模拟输入和输出，以及麦克风偏压和附件侦测。 它通过一个私有的脉冲密度调制 (PDM) 接口被连接至主机处理器上，用于启用分区的且具有优化功耗和性能的音频数据通信。 多声道音频数据被复用到一个用于下行链路 (PDML) 和 上行链路 (PDMLL) 的单一线路上。
OMAP4 器件为 TWL6041 器件提供了 5 个 PDM 音频输入通道 (DL0-DL4)。
声道 DL0-DL3 被连接至 4 个复用到立体声头戴式耳机 (HSL，HSR) 、立体声扬声器 (HFL，HFR)、和耳塞式耳机 (EAR) 或者立体声线路输出 (AUX，AUXR) 上的并行 DAC 上。
此立体声头戴式耳机通路有一个运行自 32kHz 睡眠时钟的低功率 (SP) 模式以实现超过 100 小时的 MP3 回放时间。 当使用系统时钟输入和 DAC 通路高性能 (HP) 模式时，可获得极高的 104dBA 动态范围。 AB 类头戴式耳机提供一个 1Vrms 的输出并且针对无电容连接至头戴式耳机接地居中，因此能实现系统尺寸和成本的减少。 耳塞式耳机驱动器是一款差分 AB 类驱动器，此驱动器具有到一个典型 32Ω 负载的 2 Vrms 能力或者到一个典型 16Ω 负载的 1.4Vrms 能力。
立体声扬声器通路在每声道上具有 1.5W 无滤波 D 类输出能力。
此外，它还支持 4Ω 负载。 为了输出功率最大化，电源可连接至一个外部升压转换器上。 扬声器驱动器还支持听力辅助线圈负载。
为了支持振荡器和触觉反馈，TWL6040 有 2 个含有来自 DL4 或者 I2C 的独立输入信号的 PWM 通道。 振动驱动器是差分 H-桥输出，启用了振荡器电机的快速加速和减速功能。 用于听力辅助线圈或者需要高电压的压电扬声器的外部驱动器可被连接至线路输出。
TWL6040 支持 3 个差分麦克风输入 (MMIC，HMIC，SMIC)和一个复用到 2 个并行 ADC 上的立体声线路输入 (AFML，AFMR)。 来自 ADC 的PDM 输出通过 UL0 和 UL1 被传送到 OMAP4 处理器。 AFML，AFMR 输入可被环接至模拟输出上 (LB0，LB1)。
2 个 LDO 提供 2.1V 的偏压至模拟麦克风上（MBIAS 和 HBIAS）。 针对每个模拟偏压的最大输出电流为 2mA，在一个偏压上最多可允许 2 个麦克风。 2 个 LDO 提供 1.8V/1.85V 的偏压至数字麦克风上（DBIAS1 和 DBIAS2）。 一个偏压生成器可同时加偏压至几个数字麦克风，总的最大输出电流为 10mA。
TWL6041 有一个集成的负电荷泵 (NCP) 和 2 个用于高 PSRR 的 LDO （HS LDO 和 LS LDO）。 只需要一个 2.1V 外部电源，此电源可从 OMAP4 系统中 TWL 电源管理 IC 的 2.1V DC-DC 获得。 通过使用低噪声 2.1V 直流 (DC) - DC 低功耗电源供电，可实现耳机输出上的高动态范围和高输出摆幅。 所有其它电源输入可被直接连接至电池或者系统 1.8V I/O。
2 个集成的锁相环路 (PLL) 可实现 12/19.2/26/38.4MHz 系统时钟 (MCLK) 下的运行或者，在低功率 (LP) 回放模式下，运行自一个 32kHz 睡眠时钟 (CLK32K)。 频率计划基于针对所有声道的 48kS/s 的音频数据速率，并且主机处理器使用采样率转换器以实现与不同采样率的接口连接（例如，44.1kHz）。 在特定的低功率音频回放情况下，TWL6041 支持 44.1kS/s 和48kS/s 的速率。 采样速率或者输入时钟间的转换是无缝的。
支持配件插入和拔出侦测 (PLUGDET). 一些耳机有手动开关，用于通过麦克风的输入针脚将传送/终止信号提交给终端。 此特性由一个循环配件按钮按压侦测以将睡眠模式下的电流消耗最小化。 根据系统需要可对侦测周期特性进行编程。
The TWL6041BSRS, when connected to OMAP4 and OMAP5 platform, includes SRS Audio Effects, SRS pre-processign solutions and SRS TruMedia as standard feature for Android ICS.
显示了器件的简化方框图。
4 个音频数模转换器 (DAC) 声道 立体声无电容耳机驱动器高达 104dB 动态范围 (DR) 针对功率/功耗平衡的功率调节
每通道立体声 8Ω，1.5W 扬声器驱动器，同时具有 4Ω 支持能力 差分耳塞驱动器 立体声线路输出 2 个音频模数转换器 (ADC) 声道96dBA 信噪比 (SNR)
4 个音频输入3 个差分麦克风输入 立体声线路输入/FM 输入
2 个振荡器/触觉反馈通道差分 H-桥驱动器
2 个低噪音模拟麦克风偏置输出 2 个数字麦克风偏置输出 从线路输入到耳机/扬声器输出的模拟低功率环路 针对灵活时钟支持的双锁相环路 (PLL)针对系统低功率回放模式的 32kHz 睡眠时钟输入 12/19.2/26/38.4MHz 系统时钟输入
附件插入/拔出侦测、附件按钮按压侦测 集成的电源用于无电容耳机充电器的负电荷泵 2 个用于高电源抑制比 (PSRR) 的低压差稳压器 (LDO)
I2C 控制 过热保护主机中断
电源：模拟电压： 2.1V 数字 I/O 电压： 1.8V 电池电压 2.3V&5.5V
3.8mm & 3.8mm、 81 引脚、晶圆级芯片 (WCSP) 封装
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Regulated Outputs
Processor Supplier
Processor Name
Step-Down DC/DC Converter
Special Features
Operating Temperature Range
Pin/Package
Approx. Price (US$)
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
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Comm Control
Comm Control
Comm Control
Comm Control
120BGA MICROSTAR JUNIOR
1.50 | 1ku
4.50 | 1ku
4.30 | 1ku
1.70 | 1ku
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