Комбинированный аналоговый выход тока и напряжения для промышленного применения

Применение MAX12900 в схеме трехпроводного передатчика

Исключив возможность использовать двухпроводное решение, посмотрим, какова возможность проектирования трехпроводной схемы. Первое, что следует иметь в виду – это возможность применения только одного положительного вывода питания и для передачи данных, и для питания схемы. Напряжение 24 В (от ПЛК) является слишком высоким для микроконтроллера и MAX31856, для работы которых требуется напряжение 3,3 В. Существует несколько подходов решения этой проблемы. Первый – это использовать для преобразования 24 В в 3,3 В DC/DC-преобразователь, например, MAX17550 , как это изображено на рисунке 4. MAX17550 является ультракомпактным синхронным понижающим DC/DC-преобразователем с высоким КПД и выходным током до 25 мА. Для изоляции датчика/МК ШИМ-интерфейса с MAX12900 используется цифровой двухканальный изолятор MAX12930 . На рисунке 4 компоненты в пунктирном квадрате находятся в изолированным домене питания с плавающей землей, которая отличается от земли ПЛК.

Другой подход к решению проблемы с питанием – использовать линейный преобразователь напряжения с ультрамалым током покоя MAX15006AATT+ , который может обеспечить напряжение 3,3 В с током нагрузки до 50 мА, как это показано на рисунке 5.

Вторая проблема, о которой нужно помнить при разработке таких датчиков – плавающая земля передатчика. Датчик сам по себе, микроконтроллер и MAX12900 – передатчик для обмена данными – должны иметь общую шину земли. В то же самое время потенциал этой земли является плавающим потенциалом по отношению к земле ПЛК. Состояние плавающей земли зависит от передаваемых данных и уровня нагрузки петли. Для решения этой проблемы применяются несколько подходов, например использование двухканального малопотребляющего MAX12930 (как показано на рисунке 4) для изоляции PWMA- и PWMB-входов от передатчика.

Альтернативный подход заключается в том, чтобы использовать активную схему, которая занимается постоянным мониторингом и управляет общим уровнем земли микроконтроллера и датчика. Такой вариант реализации становится возможным и удобным благодаря присутствию ОУ общего назначения, а именно – OP2, интегрированного в MAX12900. Для этой схемы также требуется использовать внешний n-канальный MOSFET-транзистор с малым напряжением управления Q3 и PNP-транзистор общего назначения Q4, чтобы согласовать падения напряжения на RLOAD и RSENSE.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.

Коммуникационные протоколы

Только в очень редких задачах допустимо слать через UART прямой поток данных. Как правило, необходимо указывать начало и конец блока данных; обеспечивать контроль целостности данных и выполнять восстановление потерянных элементов; управлять потоком данных для предотвращения перегрузки входного буфера и т. п. Для этих и многих других целей придумывают протоколы связи — соглашения о специальных наборах данных, которыми обмениваются обе вычислительные системы для успешного выполнения задачи по установлению связи и передаче основных данных. Алгоритмы протоколов зависят от задач, которые поставлены перед системой, и особенностей физического уровня UART. Алгоритм протокола обычно реализуются программно, а не аппаратно.

Существует большое количество разнообразных протоколов связи, предназначенных для использования с UART. Наиболее известные:

• MODBUS. Семейство протоколов типа «запрос-ответ», популярное в промышленной автоматике. Ориентированы на управление оборудованием короткими командами.
• AT-команды телефонных модемов. Набор текстовых команд, позволяющих управлять работой модема при установлении соединения.
• PPP — протокол широко использовался при подключениях к интернету через модем. Позволяет выполнять аутентификацию пользователя у провайдера, шифровать данные и т. п.
• IrDA — семейство протоколов для оптического беспроводного физического уровня.

Аналоговая токовая петля

Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового сигнала по паре проводов в лабораторном оборудовании, системах управления производством и т. д.

Применяется смещенный диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.

Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет использовать разнообразные датчики (давления, потока, кислотности и т. д.) с единым электрическим интерфейсом. Также данный интерфейс может использоваться для управления регистрирующими и исполнительными устройствами: самописцами, заслонками и т. д.

Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешёвой параметрической передачей напряжением) — то, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приёмников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно (согласно закону Кирхгофа). Но если в цепи появятся утечки, работа токовой петли нарушится, и средствами реализации самой токовой петли это не обнаруживается, что необходимо учитывать при проектировании ответственных производственных участков.

Поверх аналоговой токовой петли можно передавать цифровую информацию. Такой способ передачи данных описан в HART-протоколе. Конкурирующими протоколами, способными в будущем вытеснить HART, являются различные цифровые полевые шины, такие как Foundation fieldbus или PROFIBUS.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной

Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

Применение MAX12900 в схемах датчиков с 2-, 3- или 4-проводными конфигурациями токовой петли

MAX12900 – это высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала с ультрамалым потреблением для датчиков с передатчиком 2…20 мА. В его компактный корпус встроено 10 модулей:

• LDO-преобразователь с широким входным диапазоном напряжений;
• цепи обработки ШИМ-модулированных сигналов для двух входов;
• два малопотребляющих операционных усилителя с малым дрейфом;
• один операционный усилитель с малым дрейфом напряжения смещения и широкой полосой пропускания;
• два диагностических компаратора;
• контроллер включения с выходом индикации хорошего качества питания (power-good выход);
• источник опорного напряжения с малым дрейфом.

Ключевое преимущество MAX12900 в том, что он может конвертировать ШИМ-сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4…20мА для двух-, трех- или четырехпроводных конфигураций. Таким образом он является эквивалентом совокупности малопотребляющего ЦАП с высоким разрешением, обработчика ШИМ-сигнала, двух цепей обработки и активного фильтра с интегрированным малопотребляющим операционным усилителем. Две цепи обработки сигналов обеспечивают стабильную ШИМ-амплитуду, несмотря на колебания амплитуды сигнала, изменения температуры и напряжения питания. Усилитель с широкой полосой пропускания в сочетании с дискретным транзистором преобразует входное напряжение в выходной ток и позволяет использовать HART и FOUNDATION Fieldbus H1 модуляцию сигнала. Благодаря ОУ с малым напряжением смещения и источнику опорного напряжения с низким дрейфом обеспечивается минимальный уровень ошибки в широком диапазоне температур. Малопотребляющий ОУ и компараторы являются блоками для создания продвинутых диагностических систем. Мониторинг шины питания, измерение выходного тока и детектирование разрыва цепи – вот некоторые примеры диагностических возможностей таких систем. Все это, наряду с высокой точностью и малым общим потреблением делает MAX12900 идеальным устройством для интеллектуальных датчиков с интерфейсом токовая петля.

Пути прохождения электрического тока по организму человека (петли тока)

Для возникновения поражений электрическим током большое значение имеют пути, по которым проходит электрический ток, так называемые петли тока. На рис. 2.3 приведены возможные пути распространения тока в организме человека.

Основное различие между электротравмами при разных петлях состоит в том, через какие органы прошел ток. Главными проводниками тока в организме являются не крупные сосуды, а мышечные массы вместе с питающей их капиллярной сетью. Следует учитывать, что в ряде случаев (например при падении пострадавшего) может происходить изменение положения конечностей и, соответственно, изменение первоначального пути распространения тока на другой. Опасность для жизни пострадавшего во многом зависит от петли тока. Например, нижняя петля, проходящая через нижние конечности, менее опасна, чем верхняя, когда ток проходит через обе верхние конечности и туловище.

Технические характеристики

Конструкция передатчика должна советовать следующим требованиям:

• напряжение питания: ±15 В;
• цифровой вход: 4-проводной SPI;
• цифровая изоляция: 4 кВ;
• разрешение: 16 бит;
• выходное напряжение: ±10 В с возможностью перенапряжения 10%;
• токовый выход: 0…24 мА;
• температура: 25°C.

В таблице 1 представлены измеренные и рассчитанные по результатам моделирования значения полной нескорректированной погрешности. На рисунке 1 показаны измеренные передаточные функции аналогового выхода в режимах выходного напряжения и выходного тока.

Рис. 1. Результаты измерения передаточной функции

Таблица 1. Полная нескорректированная погрешность модуля

Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

Какие приборы используют?

Для измерения параметров фазы используют специальные поверенные устройства. Аппараты отличаются методиками замеров, а также конструктивными особенностями. Наибольшей популярностью среди электриков пользуются следующие измерительные приборы:

• М-417. Проверенное опытом и временем устройство, предназначенное для измерения сопротивления без отключения источника питания. Из особенностей выделяют простоту использования, габариты и цифровую индикацию. Прибор применяют в любых сетях переменного тока напряжением 380В и допустимыми отклонениями 10%. М-417 автоматически размыкает цепь на интервал до 0,3 секунды для проведения замеров.
• MZC-300. Современное оборудование для проверки состояния коммутационных элементов. Методика измерений описаны в ГОСТе 50571.16-99 и заключается в имитации короткого замыкания. Устройство работает в сетях с напряжением 180-250В и фиксирует результат за 0,3 секунды. Для большей надежности работы предусмотрены индикаторы низкого или высокого напряжения, а также защита от перегрева.
• ИФН-200. Устройство с микропроцессорным управлением для измерения сопротивления петли фаза-ноль без отключения питания. Надежный прибор гарантирует точность результата с погрешностью до 3%. Его используют в сетях с напряжением от 30В до 280В. Из дополнительных преимуществ следует выделить измерение тока КЗ, напряжения и угла сдвига фаз. Также прибор ИНФ-200 запоминает результаты 35 последних замеров.

Измерение характеристик устройства

Измерение характеристик цепи токового выхода

Передаточная функция по постоянному току при работе выхода в режиме 0…24 мА получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Сопротивление нагрузки – 300 Ом, напряжение источника питания – ±15 В. Результаты измерений приведены в таблице 4 и показаны на рисунке 9.

Рис. 9. Результат измерения передаточной функции токового выхода 0…24 мА

Таблица 4. Результаты расчета и измерения погрешностей токового выхода 0…24 мА

Измерение характеристик цепи выхода напряжения

Передаточная функция по постоянному току при работе выхода в режиме ±10 В получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Сопротивление нагрузки – 1 кОм, напряжение источника питания – ±15 В. Результаты измерений приведены в таблице 5 и показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Результат измерения передаточной функции выхода по напряжению ±10 В

Таблица 5. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода по напряжению ±10 В

Результаты измерений характеристик аналогового выхода

Полученные ранее результаты измерений, расчетов, а также желаемые характеристики аналогового выхода объединены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода

Физический уровень

Логическая схема UART имеет входы-выходы с логическими уровнями, соответствующими полупроводниковой технологии схемы: КМОП, ТТЛ и т. д. Такой физический уровень может быть использован в пределах одного устройства, однако непригоден для коммутируемых длинных соединений по причине низкой защищённости от электрического разрушения и помех. Для таких случаев были разработаны специальные физические уровни, такие, как токовая петля, RS-232, RS-485, LIN и тому подобные.

Специфической разновидностью физического уровня асинхронного интерфейса является физический уровень IrDA.

Существуют физические уровни UART для сложных сред. В некотором смысле стандартный компьютерный телефонный модем также можно назвать специфическим физическим уровнем асинхронного интерфейса. Существуют специальные микросхемы проводных модемов, сделанных специально как физический уровень асинхронного интерфейса (то есть протокольно прозрачные). Выпускается также радиоканальный физический уровень в виде модулей радиоприёмников и радиопередатчиков.

Драйвер физического уровня

Для преобразования логических входов-выходов UART в сигналы соответствующего физического уровня применяют специальные электронные схемы, именуемые драйверами. Для всех популярных физуровней существуют интегральные драйверы в виде микросхем.

Дуплекс

Логика UART обычно позволяет производить одновременную передачу и прием. Эта способность часто обозначается сленговым словом дуплекс. Однако не все физические уровни позволяют одновременно передавать данные в обе стороны. В таких случаях принято говорить о полудуплексной связи. Существуют также решения, в которых передача данных физически возможна только в одну сторону, тогда говорят о симплексной связи.

Сеть

Изначально UART предназначался для связи двух устройств по принципу «точка-точка». Впоследствии были созданы физические уровни, которые позволяют связывать более двух UART по принципу «один говорит — несколько слушают». Такие физические уровни называют сетевыми. Существуют реализации типа общая шина (когда все приемопередатчики подключены к одному проводу) и кольцо (когда приемники и передатчики соединяют попарно в замкнутое кольцо). Первый вариант проще и встречается гораздо чаще. Второй вариант сложнее, но надежнее и быстрее: гарантируется работоспособность всех узлов (передающий узел услышит эхо своего сообщения, только если оно успешно ретранслировано всеми узлами); любой узел может начинать передачу в любой момент, не заботясь о риске коллизии. Наиболее известные сетевые физические уровни — RS-485 и LIN.

Похожие записи:

Радиоволна — radio wave Лада largus бортжурнал дхо из штатных ламп ларгуса Выбираем пленочный теплый пол (инфракрасный): виды, безопасность, монтаж, производители Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности Какой дифавтомат поставить? Рекани анжело люстры