Alex_EXE » Преобразователь интерфейса токовой петли 4-20 мА xtr115

Цифровая токовая петля

Преобразователь RS-232 / токовая петля
Он используется в телекоммуникационном оборудовании и компьютерах для последовательной передачи данных.

История

Силовая петля использовалась задолго до появления стандартов RS-232 и V.24. В 1960-х годах телетайпы начали использовать стандарт токовой петли на 60 миллиампер. Последующие модели (одна из первых — модель телетайпа ASR-33) использовали стандарт 20 мА. Этот стандарт нашел широкое применение в миникомпьютерах, которые изначально использовали телетайпы для связи с оператором. Постепенно телетайпы уступили место текстовым видеотерминалам, а интерфейс токового шлейфа сохранился. В 1980-х годах стандарт RS-232 окончательно заменил токовую петлю.

Принципы работы

Стандарт цифровой токовой петли использует отсутствие тока в качестве значения SPACE (низкий уровень, логический ноль) и наличие сигнала в качестве значения MARK (высокий уровень, логическая единица). Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (разрыв строки). Данные передаются методом старт-стоп, формат сообщения такой же, как у RS-232, например 8-N-1: 8 бит, без четности, 1 стоповый бит.

Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования используется гальваническая развязка оптоэлектронных устройств, таких как оптопары.

Ввиду несовершенства источника тока максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока. Например, при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом.

Читайте также: Электроскоп i️ описание прибора, особенности, схема работы и принцип действия прибора для обнаружения электрического заряда

Источник тока может быть расположен на приемном или передающем конце контура тока. Узел с текущим источником называется активным. В зависимости от конструкции и передатчик, и приемник могут быть либо активными (питание от токовой петли), либо пассивными (питание от токовой петли).

Для компьютеров семейства DVK по умолчанию предполагается, что передатчик активен, а приемник пассивен.

Стандартизация

В стандарте ИРПС/ИФСС (ОСТ 11 305.916-84) для передачи данных используется токовая петля 20 мА. Этот стандарт широко применялся в ЭВМ, выпускавшихся в СССР и странах СЭВ вплоть до 1990-х годов. Например, ДВК, Электроника-60, Электроника Д3-28, СМ ЭВМ и др. физическая конструкция разъемов ИРПС не закреплена в стандарте, что породило множество альтернатив. Часто используется разъем CHO53-8-2.

За рубежом токовая петля (Current Loop) указана в IEC 62056-21/DIN 66258.

MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов) использует стандарт токовой петли на 5-контактном разъеме DIN 41524 со скоростью 31,25 кбит/с.

Для IBM PC и IBM PC XT существовала карта адаптера асинхронной связи IBM, которая поддерживала последовательный порт через RS-232 или контур питания. Неиспользуемые контакты на разъеме DB25 используются для сигнализации контура питания. В более поздних конструкциях остался только РС-232.

Передача сигнала токовой петли

Начнем с создания передатчиков. Рассмотрим несколько схемных решений для передачи сигнала токовой петли.

ЦАП с токовым выходом MAX5661

Простым решением для построения передатчика с токовой петлей является использование однокристального 16-разрядного цифро-аналогового преобразователя MAX5661 с токовым выходом, программируемым через интерфейс SPI.

MAX5661 предоставляет разработчику все необходимые инструменты для разработки приложений, работающих с текущими и потенциальными выходными сигналами.

Выходные усилители обеспечивают выходное напряжение в стандартном промышленном диапазоне ±10 В или выходной ток 0 (4)… 20 мА. Потенциальный выход (OUTV) предназначен для резистивных нагрузок свыше 2 кОм и емкостных нагрузок до 1,2 мкФ.

Токовый выход (OUTI) при работе на резистивную нагрузку выдает напряжение до 37,5 В, а также работает на индуктивную нагрузку до 1 Гн. При работе микросхемы активным может быть только один выход.

MAX5661 выпускается в 64-выводном корпусе LQFP 10×10 мм и работает в расширенном диапазоне температур от -40 до 105°C.

Для подключения инвертора к микроконтроллеру используется 4-проводной последовательный интерфейс, совместимый с SPI. MAX5661 действует как ведомое устройство и поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

При классическом соединении по шине SPI нескольких устройств ввод данных (DIN), вывод данных (DOUT) и тактовые сигналы (SCLK) подключаются параллельно, а привязка к конкретной микросхеме задается линией выбора микросхемы (CS).). Такую схему построения достаточно легко реализовать, когда количество ведомых устройств в системе не очень велико.

Микросхема MAX5661 позволяет реализовать, помимо классического подхода подключения, альтернативный метод последовательного подключения (Daisy chain). При последовательном соединении сигналы SCLK и CS параллельны, а DIN проходит через микросхему и поступает с выхода (DOUT) на вход соседней. Это уменьшает количество линий CS и DIN, экономит место на плате и контролирует ресурсы микроконтроллера.

На рис. 2 показана типичная принципиальная схема MAX5661.

Рис. 2. Типовая принципиальная схема MAX5661

Формирователи токового выхода MAX15500/15501

Другим простым решением для создания преобразователя с токовой петлей является использование драйвера аналогового выхода с токовым выходом MAX15500/15501.

Микросхемы обеспечивают программируемый выходной ток до ±24 мА и напряжение до ±12 В, пропорциональное управляющему сигналу. Этот сигнал обычно представляет собой напряжение, подаваемое от внешнего ЦАП, в диапазоне 0…4,096 В для MAX15500 и в диапазоне 0…2,5 В для MAX15501. Выходные сигналы тока и напряжения могут быть биполярными или однополярными.

Выходы MAX15500/MAX15501 имеют защиту от перегрузки по току и короткого замыкания нагрузки, а также защиту цепи питания ±35 В. Блок имеет встроенные датчики температуры и мощности для защиты от перегрева и пониженного напряжения с программируемым ограничением напряжения питания.

Для установки режимов работы микросхем имеется интерфейс SPI с поддержкой последовательного переключения. Помимо SPI, микросхемы имеют один выход с открытым коллектором для передачи сигнала прерывания.

MAX15500/MAX15501 работают в расширенном диапазоне температур от -40 до 105 °C и доступны в 32-выводном корпусе TQFN 5×5 мм.

На рис. 3 показана типичная принципиальная схема MAX15500/15501.

Рис. 3. Типовая принципиальная схема MAX15500/15501

Операционные усилители в качестве формирователя токового выхода

И последний рассмотренный способ построения передатчика с токовой петлей — это использование операционных усилителей. Этот вариант самый трудоёмкий, но он предоставляет достаточно гибкие решения, ограниченные только фантазией разработчика.

За основу возьмем операционный усилитель MAX9943.

MAX9943 — это высоковольтный операционный усилитель, обеспечивающий высокую точность, работу при низких температурах и низкое энергопотребление. Усилитель работает от одностороннего источника питания 6…38В или двухстороннего источника питания ±3…±19В. MAX9943 идеально подходит для обработки сигналов датчиков, высокопроизводительных промышленных приборов и систем с контурным управлением (4 … 20 мА).

Усилитель доступен в компактном 6-выводном корпусе TDFN или 8-выводном корпусе mMAX и предназначен для работы в расширенном диапазоне температур от -40 до 125°C.

На рис. 4 показана типичная реализация преобразователя напряжения в ток с использованием операционного усилителя MAX9943.

Рис. 4. Преобразователь напряжения в ток на базе MAX9943

Связь между входным напряжением и током нагрузки описывается выражением:

VIN = (R2/R1) x RSENSE x ILOAD + VREF.

Сопротивление нагрузки RLOAD может достигать нескольких кОм. Сопротивление резистора RSENSE выбрано небольшим — несколько десятков Ом.

Подробное описание этого решения с расчетами и графиками можно найти в «ПРИМЕЧАНИИ 4394» на сайте Максима.

Ограничитель тока MAX14626 для защиты токовой петли

Для защиты токовой петли 4…20 мА от нештатных ситуаций компания Maxim предлагает специализированную микросхему защиты MAX14626 (рис. 5). В основе микросхемы лежит токоограничивающий ключ с открытым сопротивлением 25 Ом, работающий в диапазоне входных напряжений 2,3…36 В.

Рис. 5.MAX14626

Ограничение по току составляет 30 мА, что делает MAX14626 идеальным для использования в качестве защиты модулей ввода аналоговых датчиков. Обнаружение перегрузки по току происходит постоянно.

Дополнительные функции защиты микросхемы включают в себя отключение при перегреве и блокировку обратного хода для защиты от неправильного подключения.

MAX14626 выпускается в миниатюрном шестиконтактном корпусе TDFN размером 3×3 мм и рассчитан на работу в промышленном диапазоне температур от -40 до 85°C.

Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы

Что делать, если вам нужно считать датчик температуры, который работает в промышленной среде и находится в 30 метрах от контроллера управления? После долгих размышлений и тщательного изучения существующих решений вы, безусловно, выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовая петля 20 мА, которая успешно используется более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор на самом деле во многих случаях оправдан.

Данная статья, структурированная в форме вопросов и ответов, раскрывает особенности использования токовой петли для сбора и контроля данных. Также в статье рассказывается о различных усовершенствованиях и модификациях токовой петли, которые производились на протяжении всей истории ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

токовая петля 0–20 мА или токовая петля 4–20 мА — это стандарт проводного интерфейса, который кодирует сигнал как аналоговый ток. Минимальному значению сигнала соответствует ток 4 мА, максимальному значению сигнала соответствует ток 20 мА (рис. 1). В типичном приложении напряжение датчика (часто в диапазоне милливольт) преобразуется в токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до использования цифрового управления и заменила пневматические системы управления на промышленных предприятиях.

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящую петлю (контур) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может быть. Обычно сигнал тока 4 мА используется для представления логического «0», а сигнал тока 20 мА используется для кодирования логической «1». Подробнее об этом ниже.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

В основном используется в промышленных приложениях, где датчик и контроллер или контроллер и исполнительное устройство расположены на значительном расстоянии друг от друга, а кабели связи проложены в помещениях с высокой степенью электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и так далее?

Есть две веские причины.

Во-первых, низкоомная цепь в токовой петле обеспечивает высокую устойчивость к внешним помехам. По закону Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине нельзя уменьшить или увеличить ток в токовой петле (рис. 2). На практике токовая петля питается от источника напряжения от 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, основаны на высокоомных цепях, которые сильно подвержены помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: при обрыве цепи ток падает до нуля, что автоматически определяется цепью. После этого генерируется аварийное предупреждение и определяется местонахождение разрыва.

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе контура тока, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов в замкнутом контуре равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключенные к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и исполнительные устройства. В датчиках реализована схема преобразователя, формирующая линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. Приводы используют схему приемника, которая преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для установки минимальной скорости двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для установки максимальной скорости – сигнал 20 мА.

Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля имеет два важных преимущества: высокую помехозащищенность и встроенную самодиагностику. Кроме того, этот интерфейс имеет и другие преимущества, в том числе: низкие затраты на внедрение, простота настройки и устранения неполадок, простота диагностики, высокая надежность, возможность создания длинных линий связи до нескольких сотен метров (если блок питания может покрыть падение напряжения линии).

Другие проводные стандарты более сложны в настройке и обслуживании, чувствительны к шуму, плохо защищены от несанкционированного доступа и дороги в реализации.

Создать беспроводную связь в промышленных условиях вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших расстояниях возникают сложности из-за необходимости многоуровневой фильтрации, реализации механизмов обнаружения и исправления ошибок, что также приводит к избыточности данных. Все это увеличивает затраты и риск отключения. Это решение вряд ли оправдано, если вам нужно подключить только простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Это довольно просто: через резистор проходит ток, а возникающее падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано значение по умолчанию 250 Ом. Таким образом, сигнал 4 мА соответствует напряжению 1 В, а сигнал 20 мА соответствует напряжению 5 В. Напряжение 1 В достаточно велико по отношению к фоновому шуму и может быть легко измерено. 5 В также очень практичны и находятся в приемлемом диапазоне для большинства аналоговых схем. При этом максимальная мощность, теряемая сопротивлением токовой петли (I2R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченным тепловыделением.

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Нисколько. Производители микросхем и приборов продолжают выпускать новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как упоминалось выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерения датчика не могут быть отправлены в виде аналогового непрерывного сигнала, а могут быть отправлены в виде дискретных токовых сигналов. Типичная ширина данных в этом случае составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют 18 бит, но это скорее исключение, так как 16 бит вполне достаточно для обычных промышленных систем. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Простой отправки битов в виде импульсов тока будет недостаточно для осуществления обмена цифровыми данными. Вы должны каким-то образом сообщить пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, необходимо проверять возникновение ошибок и выполнять некоторые другие функции. Следовательно, для передачи цифровых данных с использованием токовой петли необходимо определить формат кадра и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART — это общепринятый стандарт, который не только определяет физическое кодирование битов, но и определяет формат и протокол для передачи данных. Например, в формате кадра используются разные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, командное поле, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка протокола HART была инициирована корпорацией Rosemount в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было введено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в качестве стандарта IEC для использования в Европе. HART претерпел три основные модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что крайне важно для рынка промышленной электроники.

Дополнительной возможностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация помогает избежать путаницы при установке, устранении неполадок и документации, поскольку существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование поля байтового адреса позволяет одному контуру питания обрабатывать несколько подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии затрат на проводку и установку по сравнению с двухточечным соединением.

подключение многих устройств к одному общему контуру питания означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого устройства снижается. Однако обычно это не проблема. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко — примерно раз в секунду. Например, температура, наиболее часто измеряемая физическая величина, имеет тенденцию меняться довольно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовый контур 20 мА востребованным даже в эпоху цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, еще одно важное улучшение касается питания. Помните, что токовая петля использует диапазон сигнала 4-20 мА. Источник питания может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчик, и исполнительный механизм требуют дополнительного источника для питания собственной электроники (АЦП, усилителей, драйверов и т д.). Это приводит к более сложной установке и более высоким затратам.

Однако по мере развития интегрированных технологий потребление приемников и передатчиков снижалось. В результате появилась возможность питать устройства напрямую от силового контура. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или исполнительного устройства, не превышает 4 мА, дополнительный источник питания не требуется. Пока напряжение сигнального контура достаточно высокое, интерфейс токового контура может питаться сам.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны быть одобрены для использования в потенциально взрывоопасных средах. Например, они должны быть сертифицированы как негорючие (NI) или искробезопасные (IS). Устройства некоторых из этих классов требуют, чтобы энергия, потребляемая электроникой, была настолько малой, чтобы ее не хватило для воспламенения как в нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Энергопотребление устройств с контурным управлением настолько низкое, что они обычно без проблем проходят эту сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то, что делают всегда: создают ИС, обеспечивающие реализацию не только основного функционала, но и многих других дополнительных функций. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой маломощный высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4–20 мА (рис. 3).

Рис. 3. MAX12900 — маломощный высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токового контура 4–20 мА, который обеспечивает базовые функции и множество других полезных функций, включая питание непосредственно от токового контура

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание непосредственно от контура питания. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы формирования ШИМ-сигналов; два маломощных и стабильных операционных усилителя общего назначения; широкополосный операционный усилитель с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схема управления питанием для обеспечения плавного пуска; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

HART-протокол

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — это цифровой промышленный протокол передачи данных, основанный на аналоговой токовой петле.

Он был создан с намерением сделать его совместимым с существующим аналоговым интерфейсом токовой петли, но добавив возможность передачи данных в цифровой форме. Исходя из этого, токовая петля была модифицирована таким образом, что стала возможной полудуплексная передача данных. Для этого на аналоговый несущий сигнал накладывается цифровой сигнал (рис. 10), а полученный модулированный сигнал передается по линии связи. Логическая единица цифровых данных кодируется синусом с частотой 1200 Гц, а ноль кодируется частотой 2200 Гц.

Рис. 10. HART-протокол

Из-за сильной разницы частот между аналоговыми (0…10 Гц) и цифровыми (1200/2200 Гц) сигналами они просто разделяются фильтрами приемника и обрабатываются независимо.

HART-модем DS8500

Для реализации протокола HART компания Maxim предлагает однокристальное решение — модем DS8500.

Микросхема содержит встроенный модулятор и демодулятор 1200/2200 Гц, имеет очень низкое энергопотребление и, благодаря встроенной цифровой обработке сигнала, требует минимального количества внешних кабелей. Входной сигнал дискретизируется АЦП и подается на цифровой фильтр/демодулятор. Такая конструкция модема позволяет безопасно обнаруживать сигнал даже в шумной обстановке. Выходной ЦАП формирует синусоидальное напряжение и поддерживает фазовый сдвиг при переключении между 1200 и 2200 Гц. Низкое энергопотребление достигается отключением цепей приемника во время передачи сигнала и наоборот (передатчик не работает во время приема). Все это делает DS8500 идеальным решением для создания маломощных преобразователей для управления технологическими процессами.

Микросхема выполнена в миниатюрном 20-выводном корпусе TQFN 5x5x0,8 мм и рассчитана на работу в промышленном диапазоне температур -40…85°С.

На рис. 11 показано типичное приложение DS8500.

Рис. 11. Типовая схема подключения DS8500

Поскольку цифровой фильтр встроен в микросхему, снаружи требуется только простой пассивный RC-фильтр. Резистор R3 и конденсатор С3 реализуют ФНЧ с частотой среза 10 кГц. C2 и R2/R1 образуют фильтр верхних частот с частотой среза 480 Гц. Резистивный делитель, образованный резисторами R1 и R2, обеспечивает смещение входного напряжения Vref/2 (R1 = R2) на входе АЦП. Конденсатор С4 отключает синусоидальный сигнал от выхода ЦАП DS8500 и аналоговой токовой петли. Емкость С4 обычно выбирают не менее 20 нФ.

Прием сигнала токовой петли

Теперь пришло время рассмотреть несколько схемных решений для приема аналогового сигнала токовой петли.

Токоизмерительные усилители MAX9611 и MAX9612

MAX9611 и MAX9612 — это высоковольтные усилители измерения тока со встроенным блоком усиления, которые можно использовать в режиме операционного усилителя или компаратора, с возможностью дальнейшей оцифровки аналогового сигнала с помощью 12-разрядного АЦП.

Широкий диапазон входного напряжения 0…60 В более чем достаточен для работы с токовой петлей, а программируемый диапазон дифференциального напряжения (440, 110 и 55 мВ) позволяет добиться достаточно точного измерения входного тока путем выбора необходимого шунтирующего резистора.

Ток, преобразованный в напряжение, оцифровывается встроенным 12-разрядным АЦП, который управляется через интерфейс I2C. Скорость преобразования до 500 отсчетов/сек.

Адресация чипа очень интересна: адресных битов всего два, но они позволяют подключить на шину до 16 чипов. Весь секрет заключается в том, что на адресные входы подаются не только напряжения питания и ноль, но и 1/3 и 2/3 уровня мощности.

Шина I2C совместима с логическими уровнями 1,8 В и 3,3 В, что позволяет микросхеме подключаться к большинству современных микроконтроллеров.

Для питания нужен источник с выходным напряжением 2,7…5,5 В.

Встроенный датчик температуры позволяет измерять температуру кристалла во всем рабочем диапазоне с точностью до 0,48°С.

Микросхемы рассчитаны на работу в расширенном диапазоне температур -40…125°С и выпускаются в небольшом 10-выводном корпусе mMAX® размером 3×5 мм.

Отличие MAX9611 от MAX9612 в том, что первый включен по неинвертирующей схеме, а второй по инвертирующей.

Доступен инструмент отладки — MAX9611EVKIT.

Типичная схема включения показана на рисунке 6.

Рис. 6. Типовая принципиальная схема MAX9611/MAX9612

Токоизмерительный усилитель MAX9938

MAX9938 — прецизионный усилитель со встроенным усилением для управления током. В отличие от MAX9611/MAX9612, он не имеет встроенного АЦП, но имеет потенциальный выход, поэтому требуется дополнительный АЦП. С одной стороны, это увеличивает количество элементов и конечную стоимость решения, а с другой — позволяет разработчику выбрать нужный ему преобразователь.

Усилитель имеет небольшое входное смещение не более 500 мкВ, а разброс коэффициента передачи находится в пределах 0,5%.

Собственное потребление очень мало и составляет ок. 1 мкА.

Усилитель рассчитан на работу при синфазных напряжениях на входах в диапазоне 1,6…28 В.

Усилитель доступен в трех вариантах усиления: 25 В/В (MAX9938T), 50 В/В (MAX9938F) и 100 В/В (MAX9938H). Возможность выбора коэффициента передачи дает некоторую свободу выбора внешнего токоизмерительного резистора.

MAX9938 доступен в небольшом корпусе UCSP размером 1 мм x 1 мм или в 5-выводном корпусе SOT23 и рассчитан на работу в диапазоне температур от -40 до 85°C.

Типичная схема включения показана на рисунке 7.

Рис. 7. Типовая принципиальная схема MAX9938

Дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь MAX11205

MAX11205 — это 16-разрядный одноканальный дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь со сверхнизким энергопотреблением (максимальный ток в активном режиме <300 мкА) и последовательным выходом.

Чип обеспечивает самое высокое отношение разрядности к мощности и оптимизирован для построения решений, требующих сочетания широкого динамического диапазона и низкого энергопотребления.

АЦП содержит встроенный тактовый генератор высокой точности, не требующий подключения дополнительных внешних элементов.

MAX11205 имеет простой двухпроводной последовательный интерфейс и доступен в небольшом 10-контактном корпусе mMAX. Диапазон рабочих температур -40…85°С.

На рис. 8 показана конструкция прецизионного измерителя сигналов с токовой петлей с гальванической развязкой на основе MAX11205 1.

Рис. 8. Прецизионный измеритель сигналов токовой петли с гальванической развязкой

В качестве токового шунта используется прецизионный резистор R1, где напряжение оцифровывается на MAX11205. Микросхема MAX3535E используется для гальванической развязки линии данных и напряжения питания, а MAX6033A30 — для стабилизации изолированного напряжения питания и формирования опорного напряжения.

Операционные усилители в качестве токового входа

Так же, как и для передатчиков токовой петли, построение приемников токовой петли на основе операционных усилителей является наиболее трудоемким, но и наиболее гибким.

За основу схемы возьмем операционный усилитель MAX44250.

MAX44250 — одноканальный прецизионный малошумящий операционный усилитель с широким диапазоном питающих напряжений. Это семейство имеет низкий входной шум (5,9 нВ/√Гц), напряжение смещения (6 мкВ) и температурный дрейф 19 нВ/°C (макс).

Такие высокие метрологические характеристики делают этот усилитель идеальным для использования в измерительных линиях.

MAX44250 работает от -40 до 125 °C и доступен в 5-контактном разъеме SOT23 или 8-контактном разъеме mMAX.

На рис. 9 показана типичная реализация преобразователя тока в напряжение с использованием операционного усилителя MAX44250.

Рис. 9. Преобразователь тока в напряжение на базе MAX44250

Связь между входным током ILOAD и выходным напряжением VOUT описывается следующим выражением:

VOUT = (ILOAD x RSENSE) x (1 + R2/R1).

Резистор RSENSE действует как токовый шунт, а благодаря коэффициенту усиления, который можно изменять с помощью резисторов R2/R1, его можно изменять в достаточно большом диапазоне. При необходимости его можно уменьшить до нескольких Ом.

Выход операционного усилителя обычно подключается к АЦП.

Интерфейс 4-20 мА

интерфейс 4-20 мА основан на токовой петле с рабочими токами в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА свидетельствует об обрыве линии, а выше 20,5 мА — о коротком замыкании. Таким образом, этот интерфейс позволяет проверить целостность физических соединений в системе.

В общем случае логическое соответствие текущих уровней может быть любым, но традиционно низкому уровню контролируемой величины соответствует малый уровень, а высокому — большой. Так, например, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень заполнения бака, равный 4 мА будет соответствовать пустому баку, а 20 мА – полному. Если бак наполовину полон, датчик будет генерировать ток 12 мА (4 + (20 — 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток 4 мА обычно соответствует уровню логического нуля, а 20 мА — логической единице.

Прототипом электрического интерфейса 4-20 мА является его пневматический аналог с уровнями давления 3…15 psi (0,2…1 бар). До широкого использования электроники этот стандарт был доминирующим в отрасли. Именно в нем появлялся «предварительный ноль», когда низкий уровень сигнала отличался от нулевого значения. В какой-то момент это было связано с тем, что, во-первых, давление менее 0,2 бар было технически трудно обнаружить, а во-вторых, снижение давления ниже этого значения указывало на наличие повреждения.

С развитием электроники, особенно в микроконтроллерах, пневматические системы управления постепенно вытеснялись электронной автоматикой. Однако многие устройства с пневматическими интерфейсами управления все еще производятся, например, регулирующие клапаны для трубопроводов. Это связано с тем, что применение в них электроприводов технически сложно или дорого. При этом используются специализированные интерфейсные преобразователи «токовая петля 4-20 мА» в «давление 3-15 psi» (и наоборот), предназначенные для соединения электронной и пневматической частей системы управления (рис. 4).

Рис. 4. Токовая петля 4-20 мА к пневматическим преобразователям интерфейса 3-15 фунтов на кв дюйм

Основные преимущества интерфейса 4-20 мА:

• простота – в простейшем случае внешнее устройство можно подключить всего двумя проводами;
• высокая точность передачи сигнала – поскольку ток во всех элементах системы передачи одинаков, передатчик всегда знает, какой уровень сигнала примет приемник;
• высокая помехозащищенность за счет двойного контроля тока (как на стороне передачи, так и на стороне приема), что позволяет подключаться к внешним (иногда до десятков километров) объектам, например, по стандартным телефонным линиям;
• независимость качества связи от длины линии, которая влияет только на максимальную скорость передачи данных;
• возможность самодиагностики как обрыва, так и короткого замыкания линии;
• теоретически неограниченная дальность связи — на самом деле максимальная длина соединительного кабеля ограничена только диэлектрической прочностью изоляции и скоростью передачи данных.

Все это привело к широкому использованию данного интерфейса на практике, особенно в промышленных системах, и поддержке большого количества производителей, что является еще одним, пожалуй, самым главным преимуществом.

Однако, как и любой другой интерфейс, текущая петля имеет ряд недостатков и ограничений, которые следует учитывать при разработке. Наиболее важной является возможность передачи только одного сигнала по кабелю. При большом количестве устройств это может быть проблемой, так как помимо увеличения количества кабелей могут создаваться нежелательные паразитные петли в цепи заземления, что негативно скажется на помехозащищенности системы. Также при большом количестве одновременно используемых интерфейсов необходимо уделять особое внимание качеству и состоянию кабелей, так как все преимущества токовой петли исчезают при нарушении изоляции линий передачи.

Еще одним недостатком токовой петли является относительно низкая (по нынешним меркам) скорость передачи информации, которая напрямую зависит от длины линии. В отличие от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость зарядки паразитной емкости кабеля может быть увеличена, например, за счет увеличения мощности передатчика (ведь его кратковременный максимальный выходной ток теоретически ничем не ограничен), выходной ток преобразователя токовой петли не должен превышать 20 мА. Пусть в системе связи используется типовой кабель с линейной емкостью, равной 75 пФ/м.

В этом случае линия длиной 1 км будет иметь емкость 75 нФ. Пусть входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА дает напряжение на входе приемника 5 В. В этом случае потребуется ок. 18,5 мкс, чтобы зарядить паразитную емкость провода до этого напряжения. Нетрудно подсчитать, что максимальная скорость передачи в этом случае не может превышать 54 кбит/с, и она будет уменьшаться пропорционально увеличению длины кабеля. В реальных системах скорость передачи данных интерфейса 4-20 мА обычно не превышает 9600 кбит/с. Однако для большинства систем управления этого достаточно.

Средства отладки

Максим предлагает несколько аналоговых модулей для изучения токовой петли.

Cupertino (MAXREFDES5#)

MAXREFDES5# (рис. 12) — универсальный аналоговый модуль Maxim для обработки аналоговых сигналов ±10 В и токовой петли 4…20 мА. Карта имеет гальванически развязанную систему питания и обеспечивает гальваническую развязку сигналов данных.

Рис. 12. Купертино (MAXREFDES5#)

В основе Купертино лежит маломощный 16-разрядный АЦП последовательного приближения MAX1301, который преобразует аналоговые сигналы и передает результаты по шине SPI. Для буферизации аналоговых сигналов установлены операционные усилители MAX9632. Гальваническая развязка обеспечивается цифровым изолятором MAX14850 и драйвером трансформатора MAX256.

Купертино выполнен в виде отдельного модуля, что позволяет использовать его в микропроцессорных системах собственной разработки как законченный блок.

Для оценки характеристик можно использовать отладочные платы Nexys 3 или ZedBoardTM, в основе которых достаточно мощные ПЛИС. MAXREFDES5# подключается к этим платам как дополнительный модуль.

Принцип действия

На рис. 2 показана упрощенная версия ЦАП DAC8760, используемого для создания комбинированного аналогового выхода. Выход 0…5 В управляет режимом работы как токового выхода IOUT, так и выхода напряжения VOUT. Для правильной работы ЦАП требуется высокоточный источник опорного напряжения VREF с малым температурным дрейфом. Цифровые и силовые цепи операционных усилителей AVDD управляются стабилизатором с выходным напряжением ВРЕГ до 5 В.

Рис. 2. Упрощенная схема DAC8760

Схема токового выхода

Цепь токового выхода включает два операционных усилителя А1 и А2, два полевых МОП-транзистора Q1 и Q2 и три токоизмерительных резистора RSET, RS2 и RS3. Двухкаскадный источник тока управляет выходом ЦАП, который управляет усилителем в цепи токового выхода.

Когда VOUT активен, Q2 выключен, и его ток не искажает выходное напряжение.

Схема выхода по напряжению

Цепь вывода напряжения включает операционные усилители А3, А4 и цепь обратной связи усилителя А3, образованную резисторами из ВЧ, RG1 и RG2. А3 выполняет роль усовершенствованного суммирующего усилителя, неинвертирующий вход которого управляется ЦАП, а инвертирующий вход подключен в одной цепи к земле, а в другой к источнику опорного напряжения. Такая конфигурация позволяет использовать ЦАП с одним выходом 0…5В для создания как однополярных выходов 0…5В, 0…10В, так и биполярных выходов сопротивления ±5В, ±10В, в зависимости от режима работы выхода.

Операционный усилитель А4 отделяет цепь обратной связи А3 от выходного каскада модуля. Благодаря А4 резисторы RF, RG1 и RG2 не создают дополнительного сопротивления в цепи выходного тока и тем самым не уменьшают возможный ток через выходную нагрузку. Однако операционный усилитель A4, который находится в контуре обратной связи A3, вносит дополнительную ошибку в цепь аналогового выхода напряжения. Учитывая, что А4 работает в буферном режиме, его нелинейность и погрешность усиления можно не учитывать, но его напряжение смещения следует включать непосредственно в смещение выходного каскада напряжения VOUT.

Цифровая изоляция

Большинство модулей аналогового вывода должны быть изолированы от корпуса прибора, а также от других модулей. Обычно изоляция обеспечивается за счет изоляции цифровых сигналов между главным процессором/контроллером и ЦАП в цепи аналогового вывода. Существует множество способов создания такого утеплителя. Гальваническая (емкостная) развязка имеет ряд неоспоримых преимуществ.