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AD5700ACPZRL7 HART認証シングルチップモデム、産業用IoTイノベーションを推進

 企業資源について AD5700ACPZRL7 HART認証シングルチップモデム、産業用IoTイノベーションを推進

2025年11月10日 — 産業オートメーションとスマート計装の分野では、インテリジェントな変革のために、信頼性の高い長距離通信ソリューションが不可欠になりつつあります。HART Communication Foundationの認証を受けたシングルチップモデムであるAD5700ACPZ-RL7は、その優れた統合性と安定した通信性能により、産業用フィールドデバイスの通信アーキテクチャを再定義しています。

 

 

 

I. チップ紹介
 

 

AD5700ACPZ-RL7は、産業オートメーションアプリケーション向けに特別に設計された高性能HARTモデムチップです。コンパクトなパッケージで、完全なHARTプロトコルの物理層機能を統合しています。厳格な産業グレードの認証により、このチップは過酷な産業環境での通信要件を満たし、スマートトランスミッタとプロセス制御機器に信頼性の高い通信ソリューションを提供します。

 

 

 

1. 主要な技術的特徴

完全なHARTプロトコルサポート

1200Hz/2200Hz FSKモデム内蔵

完全なHART物理層プロトコルスタックをサポート

内蔵のプログラマブルゲインアンプとフィルタ

自動搬送波検出と信号品質監視

 

高性能アナログフロントエンド

16ビット高精度ADCとDAC

内蔵の精密電圧リファレンス

±60V過電圧保護をサポート

優れた耐干渉性能

 

産業グレードの信頼性設計

動作温度範囲:-40℃~+125℃

単一電源:3.3V/5V

スタンバイ電流が低い低電力アーキテクチャ<10μA

 

2. 設計価値と利点

システム設計の簡素化

完全なHART通信機能をシングルチップで実装

外部コンポーネントの数を大幅に削減

システムの複雑さと全体的なコストを削減

 

柔軟な構成機能

ホスト通信用の標準UARTインターフェース

プログラマブル通信パラメータ

複数の動作モードをサポート

 

信頼性の高い通信性能

強力なノイズ抑制能力

自動信号ゲイン制御

安定した長距離伝送

 

 

 

II. 機能ブロック図分析

 

 

1. HARTモデムコア

FSK変調器:デジタル信号をHARTプロトコルで指定された周波数信号(1200Hzおよび2200Hz)に変換する周波数偏移変調器。

FSK復調器:HART信号からデジタルデータを抽出する復調器。

バンドパスフィルタとバイアス:信号調整とノイズ抑制に使用されるバンドパスフィルタとバイアス回路。

 

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2. クロックと発振器

OSC:外部水晶(例:XIAL1、XIAL2)と連携して動作し、クロック信号を提供する内部発振器。

CLKOUT:クロック出力ピンで、外部デバイスにクロック信号を提供できます。

CLK_CFG0 / CLK_CFG1:クロックモードまたは周波数を設定するために使用されるクロック構成ピン。

 

3. 通信インターフェース
UARTインターフェース:

TXD / RXD:シリアルデータ送受信。

RTS / CTS:送信要求/送信許可、ハードウェアフロー制御に使用。

CD:搬送波検出、HART信号の存在を示す。

DUPLEX:全二重制御、送受信モードの切り替えに使用。

 

4. 電源と基準電圧

IOVcc:I/O電源電圧

REG_CAP:内部電圧レギュレータ用のレギュレータコンデンサピン

VOLTAGE REFERENCE:内部電圧リファレンスソース

REF_REF_IN:外部リファレンス電圧入力

 

5. アナログ信号処理

BUFFER:ドライブ能力を強化するためのバッファアンプ

ADC_IP:アナログ信号取得用のADC入力ピン

HART_IN/HART_OUT:HART信号入力および出力ピン

HART_VO:HART電圧出力

 

6. 制御と構成

HART_SEL:HARTモード選択ピン

ABC:自動バイアス制御

 

 

アプリケーションシナリオ

 

このチップは、一般的に以下で使用されます。

産業プロセスオートメーション(例:PLCおよびDCSシステムにおけるHART通信)

スマートトランスミッタ(HARTプロトコルをサポートするフィールド機器)

HARTマルチプレクサ

アナログI/Oモジュール(例:AD5421やAD5422などのDACで使用)

 

ピン機能と信号フロー

入力ピン:HART_IN(外部HART信号を受信)、RXD(シリアルデータを受信)、CLK_CFG0/1(クロック構成)、RESET(リセット)など。

出力ピン:HART_OUT(HART信号を送信)、TXD(シリアルデータを送信)、CLKOUT(クロック信号を出力)など。

電源とグランド:Vcc(正電源)、AGND(アナロググランド)、DGND(デジタルグランド)、IOVcc(I/O電源)、安定したチップ電源と信号基準グランドを確保。

 


AD5700/AD5700-1は、変調/復調、フィルタリング、クロック管理、UARTインターフェース機能を組み合わせた高度に統合されたHARTモデムチップです。産業用フィールド機器と制御システム間の信頼性の高いデジタル通信に適しています。低消費電力と高度な統合により、HARTデバイス設計に最適です。

 

 

 

 

III. 周波数偏移キーイング(FSK)エンコーダ原理の回路図

 

 

 

1. 技術原理分析:DDSエンジンをコアとして

 

AD5700は、Direct Digital Synthesis(DDS)エンジンを使用してFSK変調を実装しています。DDS技術は、デジタルアキュムレータと波形ルックアップテーブルを介して信号を生成し、その主な利点は固有の位相連続性です。周波数切り替え中に位相ジャンプが発生しないため、純粋なスペクトルと強力な耐干渉能力を備えたFSK出力が得られ、通信の信頼性が大幅に向上します。

 

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2. 機能マッピング:回路図からチップ内部へ

図20「DDSベースのFSKエンコーダ」は、簡略化されたモデルですが、AD5700の内部機能モジュールに直接マッピングされます。:

 

1.「周波数制御ワード」レジスタ:AD5700の構成レジスタに対応します。ユーザーは、SPIインターフェースを介してパラメータを書き込み、搬送波周波数(例:1200Hzおよび2200Hz)を設定します。

 

2.「DDSエンジンとDAC」:これはAD5700のコアであり、完全なDDSロジックと高精度DACを統合しています。HARTプロトコルからのデジタル信号(「0」と「1」)が周波数制御ワードの切り替えを制御すると、このモジュールは瞬時に、シームレスに、対応する純粋なアナログ正弦波を生成します。

 

3.FSK出力:AD5700のMOD_OUTピンからの最終出力は、位相連続FSKアナログ信号であり、正確にフィルタリングおよび処理され、その後のドライバ回路に送信され、4~20mA電流ループに結合する準備ができています。

 

3. 産業用途の価値
DDSベースのアーキテクチャは、産業用途に3つの主要な利点をもたらします。

1.高精度:デジタル制御により絶対的な周波数精度が保証され、すべてのHARTデバイスとの互換性が保証されます。

2.高信頼性:連続位相特性によりビットエラー率が低減され、過酷な産業環境に適しています。

3.設計の簡素化:単一のチップが複雑なディスクリート回路を置き換え、PCB面積と校正コストを大幅に削減します。

この設計により、AD5700はプロセス制御アプリケーションにおけるHART通信に理想的なソリューションとなります。

 

 

 

IV. 外部回路構成

 

 

抵抗負荷によるHART_OUT回路設計の分析

 

1. コア機能
この回路は、AD5700によって生成されたFSK信号をHARTバスに準拠して結合する役割を担います。

 

2. コンポーネント機能分析

2.2μF直列コンデンサ:DCブロッキングコンデンサとして機能し、DCバイアスがバスに入らないようにしながら、AC FSK信号を減衰なしで通過させます。

22 nFコンデンサ対グランド:高周波フィルタおよびデカップリングコンデンサとして機能し、出力信号から高周波ノイズを除去し、演算増幅器の安定性を高めます。

 

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R_LOAD(230Ω~600Ω):HARTネットワークの標準インピーダンスを表します。信号強度を保証し、反射を回避するために、総負荷インピーダンスをこの範囲内に収める必要があります。

 

3. 設計価値
この構造は、検証済みの標準出力インターフェースであり、デバイスと標準HARTマスタデバイス間の適切な通信を保証します。

 

 

ADC_IPの外部フィルタ回路設計の分析

 

1. コア機能
この回路は、入力信号をフィルタリングおよび減衰し、チップの内部搬送波検出回路にクリーンで適切にスケーリングされた信号を提供します。

 

2. コンポーネント機能分析

1.2 MΩ抵抗と300 pFコンデンサ:RCローパスフィルタを形成して、高周波ノイズと過渡干渉を抑制し、誤トリガを防止します。

 

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抵抗ネットワーク(1.2 MΩ、150 kΩ):信号を大幅に減衰させ、入力振幅が安全な範囲内に収まり、検出レベルの要件に一致するようにします。

 

3. 設計価値
このフィルタ回路は、過酷な産業環境で安定した信頼性の高い搬送波検出を実現するために不可欠であり、誤警報や検出漏れを効果的に防止します。

 

 

 

V. 産業用HART通信システムにおける典型的なアプリケーション回路

 

電流入力モジュールにおけるHART回路の分析
 

この図は、AD5700がHARTスレーブデバイスとして機能し、4~20mA電流入力モジュールの典型的なインターフェース回路(例:制御システムのAIカードチャネル内)に統合されている様子を示しています。

 

1. コア機能の位置付け

この回路は、フィールドHARTトランスミッタからのFSKコマンドを受信し、プライマリ4~20mAアナログ信号を中断または干渉することなくFSK応答データを送信するように設計されています。

 

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2. 主要回路モジュールの分析

信号抽出および注入ネットワーク:

150Ω抵抗:これは、HART通信のコアインピーダンス整合抵抗です。ライン容量と合わせて、約500Ωの負荷を形成し、HART物理層の仕様を満たし、信号が適切に結合および抽出されるようにします。

75kΩおよび22kΩ分圧抵抗:FSK出力スイッチのフィールド側に0.75V DCバイアス電圧を確立するために使用され、出力段スイッチングトランジスタの正しい動作点を供給します。

 

過渡電圧保護:

150Ω抵抗とTVSダイオードが連携してフロントエンド保護回路を形成します。150Ω抵抗は電流制限用であり、TVSダイオードは高電圧過渡パルスをクランプし、フィールド誘起サージおよび静電放電によって引き起こされる損傷からバックエンドAD5700チップを保護します。

 

AD5700インターフェース:

HART_OUT:75kΩ抵抗と150pFコンデンサで構成されるネットワークを介して、FSK信号をバスに注入します。

ADC_IP:1.2MΩ抵抗と300pFコンデンサで形成された高インピーダンスRCローパスフィルタを介して、バスからFSK信号を受信し、搬送波検出を実行します。

 

3. 設計価値

これは、アナログ信号とデジタル通信の共存を可能にし、不可欠な保護対策を組み込んだ、完全に産業的に堅牢なHART入力チャネルソリューションです。

 

セカンダリHARTデバイス回路分析
この図は、セカンダリHARTデバイス(ハンドヘルドHART通信装置や、4~20mA制御に参加しないシステム内の他のインテリジェントデバイスなど)としてのAD5700の簡略化された接続方法を示しています。

 

 

セカンダリHARTデバイス回路分析

 

この図は、セカンダリHARTデバイス(ハンドヘルドHART通信装置や、4~20mA制御に参加しないシステム内の他のインテリジェントデバイスなど)としてのAD5700の簡略化された接続方法を示しています。

 

 

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1. コア機能の位置付け

この回路により、デバイスをHARTバスに並列接続して、プライマリHARTマスタ/スレーブデバイスを監視または通信できます。4~20mA電流ループに直接直列に接続する必要はありません。

 

2. 主要回路モジュールの分析

高インピーダンス並列インターフェース:

1.2MΩ抵抗:この高値抵抗により、セカンダリデバイスが4~20mA DCメインループに及ぼす負荷効果が最小限に抑えられ、通常のアナログ信号伝送にほとんど影響を与えません。

300pFコンデンサ:抵抗とローパスフィルタを形成して、高周波ノイズを抑制しながら、HART FSK信号を通過させます。

信号パス:
送受信パスの両方が、この高インピーダンスネットワークを介してバスに結合されます。並列接続のため、その送受信信号はメインラインに重ねられます。

 

3. 設計価値

HARTデバイスを接続するための標準的で非侵襲的な方法を提供します。この設計はシンプルで費用対効果が高く、デバッグまたは監視デバイスを接続しても、元の制御システムの正常な動作が影響を受けないことを保証します。

 

 

電流入力モジュールのHART回路

位置付け:4~20mAアナログ入力チャネルにHARTスレーブデバイスとして統合
コア設計:150Ωインピーダンス整合抵抗を使用して信号結合を確保し、75kΩ/22kΩ抵抗ネットワークを介して0.75V DCバイアスを確立
保護メカニズム:過渡電圧保護のためにTVSダイオードと電流制限抵抗を装備
インターフェース特性:精密RCネットワークを介して信号送受信を実装し、産業環境の信頼性要件を満たしています

 

セカンダリHARTデバイス回路

位置付け:HARTネットワークに並列デバイス(ハンドヘルドコンフィギュレータなど)として接続
コア設計:1.2MΩ高値抵抗を使用して非侵襲的接続を実装
信号結合:DC信号伝送に影響を与えることなく、300pFコンデンサを介してACパスを形成
アプリケーションの利点:シンプルな構造で低コスト、一時的に接続された診断および構成機器に適しています

 

これらの2種類の回路は、HARTネットワークにおけるAD5700の標準的な接続方法を、コアスレーブデバイスまたは補助デバイスとして定義し、さまざまなアプリケーションシナリオに対応する標準化されたソリューションを提供します。

 

 

 

 

VI. 典型的な接続回路図

 

 

AD5700とマイクロコントローラ間のデジタルインターフェース回路
この図は、AD5700とシステムのメインMCU間の通信および制御接続を定義し、システム全体の「デジタル脳」として機能します。

 

 

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1. コア機能:
MCUとAD5700間のデータ交換および制御チャネルを確立します。

 

2. 主要な接続分析:

シリアル通信インターフェース:

TXD:MCUから送信されるデータを受信します。MCUは、このピンを介してHARTコマンドとデータをAD5700に送信してFSK変調を行います。

RXD:受信したデータをMCUに出力します。AD5700は、このピンを介して復調されたHARTデータをMCUに送信します。

 

ハードウェアフロー制御:

RTS:送信要求、MCUによって制御されます。MCUは、このピンをローにプルして、AD5700にデータ受信の準備を通知し、AD5700はこの信号に基づいて対応する準備を行います。

 

搬送波検出:

CD:搬送波検出出力、AD5700によって駆動されます。チップがHARTバスで有効なFSK信号を検出すると、このピンを介してMCUに通知し、「データを受信しています」ことを示します。

 

リセットとイネーブル:

RESET:チップを電源投入時の初期状態に復元するために使用されるグローバルリセットピン。

RET_EN:予約済みまたは特定の機能イネーブルピン。その特定の機能は、データシートに従って構成する必要があります。

 

3. 設計価値:

この一連の接続は、標準的な非同期シリアルインターフェースを形成し、AD5700がほとんどのシリアル周辺機器のようにMCUによって簡単に制御できるようになり、ソフトウェアドライバの開発が大幅に簡素化されます。

 

 

 

AD5700の電源およびアナログ入出力インターフェース回路
この図は、チップの電源、基準電圧、およびアナログ信号入出力パスを定義しており、HART信号品質を確保するために不可欠です。

 

 

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1. コア機能:

チップにクリーンな電源と正確な電圧リファレンスを提供

HARTアナログ信号の入出力処理を処理

 

2. 重要な回路分析:

電源管理:

広範囲の電圧供給:VCCは1.7V~5.5Vの広い電圧範囲をサポートし、さまざまな低電力MCUシステムとの互換性を容易にします。

デカップリングコンデンサ:10μFと100nFのコンデンサの組み合わせが電源デカップリングに使用され、それぞれ低周波および高周波ノイズをフィルタリングして、電源品質を確保します。これは、アナログ回路の安定した動作に不可欠です。

REG_CAP:内部電圧レギュレータの外部コンデンサ用のこのピンは、データシートに従って指定された値のコンデンサに接続して、内部電源の安定性を確保する必要があります。

 

3. 設計価値:

この回路セクションは、HART通信物理層の性能を確保するための基盤として機能します。細心の注意を払った電源とリファレンスの設計は、信号生成の精度を保証し、適切なアナログインターフェース構成は、過酷な産業環境での信号の堅牢性を保証します。

 

これらの2つの図を組み合わせることで、完全なHARTスレーブデバイス通信サブシステムが形成されます。

 

図1(デジタルインターフェース)は、プロトコルとデータ処理を処理し、MCUがAD5700を制御して相互作用できるようにします。

図2(電源およびアナログインターフェース)は、信号生成、調整、および整合性を担当し、デジタルコマンドを高品質のHARTアナログ信号に変換し、バスから信号を確実に抽出します。

 

これらの参照設計に従うことで、エンジニアはHART通信機能を4~20mAトランスミッタ、アクチュエータ、または制御システムに効率的かつ確実に統合できます。

 

 

VII. HART対応スマートトランスミッタの参照デモンストレーション回路ブロック図

 

システムアーキテクチャの概要:典型的なHARTスマートトランスミッタ

このブロック図は、ADuCM360マイクロコントローラとAD5421デジタルアナログコンバータに基づくインテリジェントトランスミッタソリューションを示しています。そのワークフローは次のように要約できます。

 

 

 

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1.センシング:物理信号は、圧力センサや温度センサ(例:PT100)を介して収集されます。
2.処理:マイクロコントローラADuCM360が計算、線形化、および補正を実行します。
3.出力と通信:

  • 処理されたデータは、AD5421を介して標準の4~20mAアナログ電流信号出力に変換されます。
  • 同時に、AD5700は、HART FSK信号の形式でデジタル構成または診断データを4~20mAループに重ね合わせ、双方向通信を可能にします。

 

AD5700のコアロールと接続分析
システムでは、AD5700はHARTモデムの重要な役割を果たし、その接続性はその機能的な位置付けを明確に定義しています。

 

1. ホストMCUとのコマンドおよびデータインターフェース

接続ターゲット:ADuCM360マイクロコントローラのUART
機能:これは、AD5700の「脳」接続として機能します。MCUは、HARTデータ(デバイスモデル、範囲、診断情報など)をUART経由でAD5700に送信し、ホストステーションからのHARTコマンド(パラメータのクエリ、設定の変更など)をAD5700から受信します。TXD、RXD、RTS、CDなどの信号がここで相互作用して、正確な通信タイミング制御を実現します。

 

2. DACとのアナログ信号統合

接続ターゲット:AD5421電流出力DAC。

機能:これは、HART信号と4~20mAアナログ信号の混合点です。AD5700によって生成されたFSK信号は、HART_OUTピンから出力され、AD5421の出力段に結合され、4~20mA DC信号に正確に重ね合わせられます。この設計により、HART通信が重要なアナログメイン信号を妨害せず、同じ一対のワイヤでの信号共存が可能になります。

 

3. 搬送波検出とシステム連携

接続ターゲット:テストコネクタ(T1:CD)。

機能:AD5700のCDピンは、MCUに接続されているだけでなく、テストポイントにルーティングされる場合もあります。これにより、エンジニアはデバッグ中にバス上のHART通信アクティビティを監視しやすくなり、システム診断とメンテナンスの重要なウィンドウとして機能します。

 

 

アプリケーションシナリオと設計価値

この参照設計は、産業用モノのインターネットにおけるAD5700のコアバリューを明らかにしています。

 

インテリジェントおよびデジタルアップグレードの実現:従来の4~20mAトランスミッタを、純粋なアナログデバイスから、リモート構成、校正、診断、および障害予測が可能なインテリジェントデバイスに変換します。エンジニアは、HARTハンドヘルドデバイスまたは制御システムを使用して、現場にいなくてもデバイスを管理および保守できます。

 

通信の信頼性の確保:「HART入力フィルタ」と「ループ保護」回路で構成される産業グレード環境では、AD5700は、ノイズの多い産業環境でも安定した信頼性の高いHART通信を保証します。

 

完全なソリューションの提供:このブロック図は、アナログ・デバイセズのエンドツーエンドチップソリューションを示しており、センシング、処理、出力、および通信に及びます。専用の通信コンポーネントとして、AD5700は、マイクロコントローラやDACなどの他の会社のチップと最適な相乗効果を発揮し、設計の複雑さを大幅に簡素化し、市場投入までの時間を短縮します。

 


このHARTスマートトランスミッタデモンストレーション回路では、AD5700ACPZ-RL7は「通信担当者」として不可欠な役割を果たしています。デジタル情報を効率的かつ確実にエンコードし、アナログ電流ループに変調し、インテリジェントでネットワーク化されたプロセスオートメーション機器を実現するための主要なイネーブルコンポーネントとして機能します。

 

 

 

VIII. ループ電源トランスミッタ回路ブロック図

 

 

この図は、典型的なループ電源(2線式)トランスミッタにおけるAD5700/AD5700-1のコアアプリケーション回路を示しています。このアーキテクチャは、プロセス制御分野で最も古典的で困難な設計の1つであり、AD5700が重要な役割を果たしています。

次の分析は、ループ電源システムにおけるAD5700の主要な機能を明確にします。

 

 

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システムのコアチャレンジ:電力と通信のバランス

ループ電源トランスミッタの基本的な制約は、デバイス全体のすべての消費電力が4~20mA電流ループから引き出されなければならないという事実にあり、総消費電力は約3.5mA(4mA時)を超えないようにする必要があります。この制限を超えると、アナログ信号のゼロ点が中断されます。このコンテキスト内で、AD5700の価値が際立っています。

 

システムにおけるAD5700の主要な役割と接続の分析

これらの厳しい条件下で、AD5700は超低電力HARTモデムとして機能します。

 

1. 究極の電力管理

電源: 図は、AD5700のVCCがシステムの内部REGOUT電圧レギュレータによって供給されていることを示しています。このレギュレータへの入力エネルギーは、完全にループから派生しています。

 

コアバリュー: AD5700の本質的に超低消費電力は、ループ電源システムでのアプリケーションの前提条件です。最小限の電流予算内で効率的に動作し、HART信号の送受信が総ループ消費を4mAベースラインに影響を与えるレベルまで増加させないようにします。

 

2. HART信号の注入と抽出

信号伝送:AD5700のHART_OUTピンによって生成されたFSK信号は、1.2MΩ抵抗と150pFコンデンサで構成される高インピーダンスネットワークを介してループに結合されます。この高インピーダンス設計により、AC HART信号を注入するときに、わずかな追加のDC電流しか消費されません。

 

信号受信:ループからのHART信号は、1.2MΩ抵抗、300pFコンデンサ、150kΩ抵抗で構成される別の高インピーダンスRCフィルタネットワークを介して、復調のためにADC_IPピンに供給されます。このネットワークも、ループからの電流消費を最小限に抑えます。

 

3. システムマイクロコントローラとの連携

シリアルインターフェース:他のアプリケーションでの実装と一致して、データ交換と通信タイミング制御のために、TXD、RXD、RTS、およびCDを介してメインMCUに接続されています。

 

 

アプリケーションシナリオと設計価値

 

この図は、完全で実現可能なループ電源スマートトランスミッタソリューションを示しており、AD5700は「インテリジェンス」の主要なイネーブラとして機能します。

1. 真の2線式スマートトランスミッタを有効にする:外部電源を必要とせずに、センサが4~20mAアナログ信号を出力し、双方向HARTデジタル通信をサポートできます。これは、フィールド機器設計の究極の目標を表しています。

 

2.解決するコア設計の矛盾:超低消費電力と高インピーダンスインターフェース設計により、AD5700は、ループ電源システムにおける「通信機能」と「厳格な電力予算」の間の根本的な対立を完全に解決します。概要概要概要このループ電源トランスミッタブロック図では、AD5700ACPZ-RL7は「エネルギー効率マスター」と「通信イネーブラ」の両方の役割を果たします。HARTプロトコルモデムとして機能するだけでなく、非常に制約された電力環境に最適化された特殊なチップでもあります。その存在により、高性能、低電力、ループ電源HARTスマートトランスミッタを開発することが可能になり、産業用センサがより高いインテリジェンスと統合に向かうための主要な推進力として機能します。