Интерфейси на токови контури
Михаил Чигарев (КОМПЕЛ)
Токовата верига е начин за предаване на информация, използвайки измерените стойности на силата на електрически ток. Като правило, система, използваща токова верига, включва сензор (налягане, температура, газове и т.н.), предавател, приемник и аналогово-цифров преобразувател (ADC) или микроконтролер (Фигура 1).
Ориз. 1.Типично приложение на токова верига
На изхода на сензора се генерира напрежение, пропорционално на измерения параметър. Предавателят (усилвател на ток с управление на напрежението) преобразува напрежението от сензора в съответен ток от 4 до 20 mA. В другия край на линията, приемникът (усилвател на напрежение с контролиран ток) преобразува тока от 4…20 mA обратно в напрежение. Аналогово-цифровият преобразувател дигитализира изходното напрежение на приемника за по-нататъшна обработка от процесор или микроконтролер.
В системи с интерфейс с токова верига, информацията се предава с помощта на ток, модулиран от сигнала. В токова верига 4…20 mA най-малката стойност на сигнала съответства на ток от 4 mA, а най-голямата съответства на 20 mA. По този начин целият диапазон от допустими стойности е 16 mA. Веригата се поддържа постоянно на 4 mA, така че при по-ниска стойност на тока се открива отворена линия и улеснява диагностицирането на тази ситуация.
По правило в системите за промишлена автоматизация сензорите са разположени на големи разстояния от централния блок за управление, така че токовият контур не е загубил своята актуалност досега, тъй като е най-устойчивият на шум аналогов интерфейс, особено в сравнение с методите за предаване на данни за напрежение. По-завършена система, включително втора токова верига (например за управление на задвижване), е показана на Фигура 2.
Ориз. 2.Интегрирана система за обратна връзка за управление на задвижването
Въз основа на тази схема разгледайте предлаганите от Maxim решения за нейното изпълнение.
Операционен усилвател като преобразувател напрежение към ток
Фигура 3 показва проста реализация на преобразувател напрежение към ток с помощта наоперационния усилвател MAX9943 (операционен усилвател). Този операционен усилвател осигурява повече от ±20 mA при захранващо напрежение от ±15 V и също така е стабилен с капацитивен товар до 1 nF, което го прави много подходящ за използване в дълга предавателна линия. За работа в диапазона на изходния ток от 0 ... 20 mA е възможно еднополярно захранване на усилвателя, тъй като MAX9943 осигурява колебание на изходното напрежение, равно на захранващото напрежение (изход от релса към релса).
Ориз. 3.Преобразувател волт към ток на MAX9943
В тази схема връзката между входното напрежение и тока на натоварване се описва с израза: VIN = (R2/R1) ґ RSENSE ґ ILOAD + VREF. Типично съпротивление на натоварване може да бъде няколко kΩ В този пример: R1 = 1 kΩ; R2 = 10 kOhm; RSENSE = 12,5 ома; RLOAD = 600 Ohm.
За да преобразувате ±2,5 V вход в ±20 mA ток, референтното напрежение VREF трябва да бъде 0 V. За да получите 4…20 mA изходен ток от 0…2,5 V входно напрежение, трябва да се настрои отместване, за да се гарантира, че токовата линия винаги присъства на 4 mA. При VREF = -0,25 V, входното напрежение от 0…2,5 V се преобразува в изходен ток от 2…22 mA. Обикновено дизайнерите избират малко по-широк динамичен диапазон, за да позволят софтуерно калибриране по-късно. Зависимостите на входното напрежение и изходния ток са показани на фигури 4 и 5.
Ориз. 4.ILOAD спрямо VIN за изход ±20mA4
Ориз. 5.ILOAD спрямо VIN за 4-20mA изход
MAX15500 и MAX15501 токови контури
Веригата на Фигура 3, използваща операционни усилватели, е проста реализация на токова верига, която причинява трудности при калибриране и големи грешки при предаване на сигнала в реални условия. На практика за внедряване на преобразувател напрежение към ток е препоръчително да се използват едночипови решения, чиито технически параметри са стриктно описани в документацията.
Ориз. 6.Диаграма на приложение MAX15500/15501
Пример за такова решение саMAX15500/15501, SPI-програмируеми аналогови изходни драйвери за ток или напрежение. Входното напрежение за тези преобразуватели обикновено се взема от изхода на външен DAC. За MAX15500 обхватът на входното напрежение е 0…4.096 V, а за MAX15501 е 0…2.5 V. Софтуерно са налични шест режима на работа на изходното стъпало: ±10 V; 0…5 V; 0…10 V; ±20 mA; 0…20 mA; 4…20 mA. ИС осигуряват защита от късо съединение; откриване на прекъсване на преносната линия; защита срещу прегряване и откриване на спад на захранващото напрежение под прага.
MAX5661 - DAC с токов изход
Най-интегрираната опция за токов изходен преобразувател еMAX5661. Това е едноканален 16-битов DAC с прецизен високоволтов усилвател, който осигурява цялостно решение за преобразуване на цифров сигнал от процесор в програмируем токов изход (0…20mA или 4…20mA) или индустриално стандартно напрежение ±10V.
Ориз. 7.Диаграма на приложение на MAX5661 DAC, поддържащ токов изход
MAX1452 Преобразувател на сигнал от сензор към токова верига
Досега разглеждахме решения, подходящи за преобразуване на сигнал от микроконтролер или DAC, т.е. за предаване на управляващи сигнали. За да получи текущия сигнал от сензора, Maxim предлагаMAX1452, IC, който съчетава аналогова част с операционен усилвател за генериране на информационен сигнал и цифрова схема, която осигурява компенсация на температурния дрейф, регулиране на нулевото отместване и PGA-програмируемо усилване. Всички коефициенти на настройка се съхраняват във вградената EEPROM-памет с капацитет 768 байта.
Фигура 8 показва схемата на свързване на MAX1452 с токов изход 4…20 mA и мощност на токовия контур.Транзисторът 2N2222A се използва за генериране на ток в контура.
Ориз. 8.Схема на свързване на MAX1452 като токов изходен преобразувател
HART модем DS8500
HART (протокол за отдалечен преобразувател с магистрален адрес) е цифров индустриален протокол за предаване на данни, който обикновено ви позволява да конфигурирате сензор или да получите информация за неговото състояние, като използвате линия, на която е организиран аналогов токов контур. За предаване на цифрови данни се използва FSK-модулиран сигнал (модулация с превключване на честотата) през токова верига от 4 ... 20 mA (Фигура 9). Тази реализация позволява протоколът HART да се използва в съществуващи аналогови системи за токова верига.
Ориз. 9.FSK-модулиран сигнал през аналогова токова верига
За организиране на физическия HART слой (модулация и демодулация), Maxim предлага HART модемен чипDS8500,, който позволява полудуплексно предаване и приемане, докато "1" се модулира на честота от 1,2 kHz, "0" - 2,2 kHz. Функционално DS8500 се състои отдемодулатор, цифров филтър, ADC, модулатор и DAC (Фигура 10).
Ориз. 10.Функционална диаграма на DS8500
Тази архитектура (с цифрово филтриране и ЦАП, който генерира чист синусоидален сигнал с фазово непрекъснато превключване между честотите) гарантира надеждно приемане на сигнала при шумни условия.
Заключение
Maxim предлага пълна гама от комуникационни решения за токов контур от сензори до централно управляващо устройство и от това устройство до крайни управляващи устройства. В допълнение, за разширяване на функционалността на такава индустриална система, линията Maxim съдържа повече от 300 различни интерфейсни чипаRS-485 / RS-232, CAN, LIN.
Литература
1. „Как да използваме операционни усилватели с високо напрежение и висок ток в системи с токова верига 4-20mA“, Маурицио Гавардони,Maxim Engineering Journal #68
2. "Аналогов токов контур - решения от Maxim", Анатолий Андрусевич,"Компоненти и технологии" № 8 2009