Аналоговый выход по току или напряжению

Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.

Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.

Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.

В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!

Унифицированные аналоговые сигналы

С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).

Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.

В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.

Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В

При использовании этого типа сигнала для получения информации с датчика весь его (датчика) диапазон делится на диапазон напряжения 0-10 В. Например, датчик температуры имеет диапазоны -10…+70 °С. Тогда при -10 °С на выходе датчика будет 0 В, а при +70 °С — 10 В. Все промежуточные значения находятся из пропорции.

Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.

Управление сигналом 0-10 В

С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести трёхходовой клапан в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.

Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.

Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.

«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА

Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.

По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:

• Во-первых, токовый сигнал можно передать на большие расстояния в сравнении с сигналом 0-10 В, в котором происходит падение напряжения на длинной линии, обусловленное сопротивлением проводников.
• Во-вторых, легко диагностировать обрыв линии, т.к. рабочий диапазон сигнала начинается от 4 мА. Поэтому если на входе 0 мА — значит на линии обрыв.

Управление сигналом 4-20 мА

Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.

Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.

Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.

Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА

Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.

На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.

Нормирующий преобразователь

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:

Источник

Комбинированный аналоговый выход тока и напряжения для промышленного применения

Компания Texas Instruments является лидером на рынке компонентов для промышленного применения. Современные аналоговые решения от TI помогают построить наиболее популярные аналоговые выходные интерфейсы для промышленных систем управления.

В промышленности широко используются аналоговые выходы, которые выдают в сеть либо точное значение напряжения, либо точное значение тока. Давайте рассмотрим решение на основе ЦАП типа DAC8760, позволяющее одновременно реализовать два стандартных аналоговых выхода – тока и напряжения – задействовав при этом всего две клеммы вместо трех. Такое комбинированное решение позволяет снизить стоимость проводниковых материалов, уменьшить количество разъемов и сделать более универсальной конструкцию аналогового выхода. Данная схема позволяет реализовать токовые стандарты 4…20 мА, 0…20 мА и 0…24 мА, а также различные стандарты аналоговых выходов по напряжению: 0…5 В, ±5 В, ±10 В и другие.

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

Полная нескорректированная погрешность	Максимальное допустимое значение, %	Результат расчета, %	Измеренное значение, %
Для выходного тока 0…24 мА	0,1	0,02	0,048
Для выходного напряжения ±10 В	0,1	0,015	0,014

Принцип действия

На рисунке 2 показана упрощенная версия схемы ЦАП DAC8760, используемого для создания комбинированного аналогового выхода. Выход 0…5 В управляет режимом работы одновременно цепей токового выхода I_OUT и выхода по напряжениюV_OUT. Для корректной работы ЦАП необходим высокоточный источник опорного напряжения V_REF с небольшими значениями температурного дрейфа. Питание цифровых цепей и цепей питания операционных усилителей AV_DD осуществляется с помощью стабилизатора с выходным напряжением V_REG до 5 В.

Рис. 2. Упрощенная схема DAC8760

Схема токового выхода

Цепь токового выхода включает два операционных усилителя А₁ и А₂, два MOSFET-транзистора Q₁ и Q₂ и три токочувствительных резистора R_SET, R_S2 и R_S3. Двухступенчатый источник тока приводит в действие выход ЦАП, который управляет усилителем в цепи токового выхода.

Когда выход V_OUT активен, транзистор Q₂ заперт, и его ток не искажает выходной сигнал по напряжению.

Схема выхода по напряжению

Цепь выхода по напряжению включает в свой состав операционные усилители А₃, А₄ и цепь обратной связи усилителя А₃, образованную резисторами из R_F, R_G1 и R_G2. А₃ работает как усовершенствованный суммирующий усилитель, неинвертирующий вход которого управляется ЦАП, а инвертирующий подключен по одной цепи к заземлению, а по второй – к источнику опорного напряжения. Такая конфигурация позволяет использовать ЦАП с одним выводом 0…5 В для создания как однополярных выходов 0…5 В, 0…10 В, так и биполярных выходов ±5 В, ±10 В. Схема переключения резисторов R_G1 и R_G2 необходима для выбора нужной величины сопротивления, в зависимости от режима работы выхода.

Операционный усилитель А₄ отделяет цепь обратной связи А₃ от выходного каскада модуля. Благодаря А₄ резисторы R_F, R_G1 и R_G2 не создают дополнительного сопротивления в цепи выходного тока и не уменьшают тем самым возможный ток через нагрузку выхода. Тем не менее, операционный усилитель А₄, находясь в цепи обратной связи А₃, вносит дополнительную погрешность в схему аналогового выхода по напряжению. Учитывая, что А₄ работает в буферном режиме, можно пренебречь его нелинейностью и погрешностью усиления, однако его напряжение смещения следует непосредственно включать в напряжение смещения каскада выхода по напряжению V_OUT.

Цифровая изоляция

Большинство модулей аналоговых выходов должно быть изолировано от корпуса прибора, а также от других модулей. Обычно гальваническая развязка обеспечивается изоляцией цифровых сигналов между главным процессором/контроллером и ЦАП в схеме аналогового выхода. Существует множество способов создания такой изоляции. Гальваническая (емкостная) изоляция обладает целым рядом неоспоримых преимуществ.

Выбор компонентов

Подробная схема модуля с указанием выбранных компонентов показана на рисунке 3.

Рис. 3. Подробная схема комбинированного аналогового выхода

ЦАП DAC8760

В состав DAC8760 входят ЦАП, операционные усилители A₁, A₂ и A₃, стабилизаторы напряжения V_REG и V_REF, а также ключи, транзисторы и резисторы, необходимые для создания настраиваемого драйвера токовых и выходов по напряжению для промышленного применения. Полная нескорректированная погрешность DAC8760 не превосходит 0,1% диапазона регулирования и включает в себя погрешность смещения, погрешность усиления и погрешность интегральной нелинейности при 25°С. Полная погрешность не более 0,1% диапазона регулирования справедлива для различных типов выходных каскадов по току и по напряжению, и закладывает отличную основу для создания прецизионных аналоговых схем. Наибольшая дифференциальная нелинейность ±1 наименьший значимый бит обеспечивает абсолютно монотонную работу выходов по току, и напряжению.

Интегральная нелинейность ЦАП вносит погрешность всего 0,022% от максимального значения из диапазона регулирования для выходного напряжения V_OUT и 0,024% для выходного тока I_OUT. Встроенный источник обеспечивает для ЦАП точное опорное напряжение V_REF с температурным дрейфом не более 10 мкВ/°С. Четырехпроводной коммуникационный SPI-порт позволяет управлять одновременно несколькими устройствами DAC8760, используя четырехканальный цифровой изолятор для создания модулей с несколькими аналоговыми выходами.

Операционный усилитель: OPA192

Буферный усилитель входит в схему обратной связи цепи выходного напряжения DAC8760. Любые погрешности по постоянному току этого усилителя сказываются на точности выходного напряжения всей схемы. Небольшое напряжение смещения, небольшой температурный дрифт этого напряжения, высокие коэффициенты подавления нестабильности питания и подавления синфазного сигнала способствуют тому, что итоговая погрешность, вносимая усилителем, будет как можно меньше. Для уменьшения влияния операционного усилителя на качество выходного токового сигнала I_OUT применяют компоненты с небольшим входным током смещения, такие как операционные усилители на основе полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, полевых КМОП-транзисторов или биполярных транзисторов.

OPA192 – это прецизионный операционный усилитель на КМОП-транзисторах, напряжение смещения которого в большинстве случаев составляет всего 5 мкВ и не превосходит 25 мкВ. Температурный дрифт напряжения смещения OPA192 обычно равен около 0,2 мкВ/°C, но не превышает 0,5 мкВ/°C. Коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 110 дБ, а коэффициент подавления нестабильного питания – 0,5 мкВ/В на всем диапазоне напряжений +4…+36 В. КМОП-транзисторы операционного усилителя вносят в схему токовую погрешность не более чем 20 пА. Ширина полосы пропускания усилителя составляет 10 МГц, скорость нарастания сигнала – 20 В/мкс, а время установления сигнала при его изменении на 0,01% не превышает 1 мкс. Один из выходов типа rail-to-rail может быть подключен к земле при работе в схеме с однополярным источником питания.

Цифровой изолятор ISO7641

DAC8760 имеет четыре входа для организации двунаправленной связи: SCLK, DIN, SDO и LATCH. Эти выходы должны бить изолированы от входов головного процессора с помощью цифрового изолятора. ISO7641 обеспечивает гальваническую развязку более 4 кВ и позволяет выполнять обмен данными на скорости до 25 МБ/с.

Пассивные компоненты

На печатной плате устройства предусмотрено место для установки внешнего резистора R_SET. Если это место остается пустым – то не остается других пассивных компонентов, которые могут внести погрешность в работу схемы. Если же внешний резистор R_SET используется, то он должен обладать высокой точностью и малым температурным коэффициентом.

В случае, когда аналоговый выход работает с большой емкостной нагрузкой, может потребоваться использование дополнительного компенсирующего конденсатора. Емкость этого компенсатора выбирается в соответствии с рекомендациями заводской документации на ЦАП DACx760. Все конденсаторы, используемые в схеме, должны быть рассчитаны на напряжение значительно большее, чем то, под которым они будут находиться в процессе работы, для того чтобы поддерживать их емкость на постоянном уровне во время прохождения сигнала. Рекомендуется использовать изолирующие конденсаторы типа C0G/NP0 (предпочтительно) или X7R.

Расчет производительности схемы

Расчет точности токового выхода

Производительность цепей токового выхода основывается на погрешности работы DAC8760. Небольшой ток смещения OPA192, всего 20 пА, показанный на рисунке 4, значительно меньше, чем выходной шум ЦАП, и не оказывает значительного влияния на точность работы токового выхода. Ожидаемая производительность выхода может быть рассчитана на основе паспортных данных, приведенных на рисунке 5.

Рис. 4. Заводские данные OPA192

Рис. 5. Заводские данные DAC8760

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета характеристики токового выхода 0…24 мА

Параметр	Наибольшее допустимое значение	Рассчитанное значение
Погрешность смещения, %	–	0,01
Погрешность усиления, %	–	0,01
Интегральная нелинейность, %	–	0,024
Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,02

Расчет точности выхода напряжения

В цепь обратно связи DAC8760 V_OUT включен операционный усилитель. Итоговая погрешность выходного напряжения складывается из погрешностей ЦАП и этого операционного усилителя. Поскольку усилитель работает в режиме буфера, он не вносит в схему погрешности усиления и нелинейности. Величины напряжения смещения и коэффициента подавления синфазного сигнала OPA192, взятые и заводской документации, показаны на рисунке 6. В режиме буфера синфазное напряжение изменяется согласно входному сигналу и способствует дополнительной погрешности смещения. Наибольшей величины эта погрешность достигает при напряжениях +10 В и -10 В и может быть рассчитана по формуле 1. Напряжение смещения OPA192 складывается непосредственно с напряжением смещения биполярного нуля DAC8760, в соответствии с рисунком 7.

Рис. 6. Заводские данные OPA192

Рис. 7. Заводские данные DAC8760

Поскольку эти два напряжения смещения не коррелированы, суммарная погрешность смещения может быть рассчитана как корень из суммы квадратов отдельных составляющих, как указано в формуле 2:

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 3.

Таблица 3. Результаты расчета характеристики выхода по напряжению ±10 В

Параметр	Наибольшее допустимое значение	Рассчитанное значение
Погрешность смещения, мВ	–	1
Погрешность усиления, %	–	0,01
Интегральная нелинейность, %	–	0,022
Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,015

Печатная плата

Для оптимизации работы схемы печатную плату выполняют в соответствии со стандартными рекомендациями по компоновке печатных плат, в том числе касающимися разделения интегральных схем и правильного подключения питания и заземления. Вход +V_SENSE DAC8760 подключается непосредственно к выходной клемме, а не ко входу V_OUT, для того чтобы избежать лишнего падения напряжения на проводящих дорожках. Схема печатной платы аналогового выхода показана на рисунке 8.

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

Параметр	Наибольшее допустимое значение	Рассчитанное значение	Измеренное значение
Погрешность смещения, %	–	0,01	0,0054
Погрешность усиления, %	–	0,01	0,039
Интегральная нелинейность, %	–	0,024	0,009
Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,02	0,048

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

Параметр	Наибольшее допустимое значение	Рассчитанное значение	Измеренное значение
Погрешность смещения, мВ	–	1	0,61
Погрешность усиления, %	–	0,01	0,023
Интегральная нелинейность, %	–	0,022	0,007
Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,015	0,014

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

Режим работы	Параметр	Наибольшее допустимое значение	Рассчитанное значение	Измеренное значение
Токовый выход 0…24 мА	Погрешность смещения, %	–	0,01	0,0054
	Погрешность усиления, %	–	0,01	0,039
	Интегральная нелинейность, %	–	0,024	0,009
	Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,02	0,048
Выход напряжения ±10 В	Погрешность смещения, мВ	–	1	0,61
	Погрешность усиления, %	–	0,01	0,023
	Интегральная нелинейность, %	–	0,022	0,007
	Полная нескорректированная погрешность, %	0,1	0,015	0,014

Аналоги и модификации

DAC7760 – 12-битный эквивалент DAC8760, который может заменить его в схемах, где допустима меньшая разрядность устройства. Также комбинированный выход может быть выполнен на основе дискретного ЦАП, например, DAC856x, и выходного драйвера XTR300.

Для модулей с только токовым выходом I_OUT применимы решения с интегрированными 12- и 16-битными ЦАП семейства DACx750. Для вариантов с дискретным выходным током применяют DAC856x и драйверы вывода XTR111.

В предложенной схеме в качестве буферного усилителя может применяться любой аналог с напряжение питания +36 В, отличной от OPA192. Однако, как упоминалось в разделе «Операционный усилитель: OPA192» , погрешности по постоянному току усилителя, в сочетании с погрешностями ЦАП, влияют на производительность выхода по напряжению V_OUT. Выбор операционного усилителя с малым значением напряжения смещения, низким температурным дрейфом этого напряжения, высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания предотвратит снижение производительности всей системы. OPA192 – высокоточное устройства серии E-trim. Другие операционные усилители этой серии также отлично подходят для использования в схеме. Аналогичными характеристиками обладают усилители из серии Zero-drift, такие как OPA188. В схеме можно использовать и операционные усилители на напряжение +36 В: OPA277, OPA170 или OPA140 (таблица 7). При использовании усилителей с однополярным питанием необходимо, тем не менее, наличие выхода для подключения напряжения отрицательной полярности как в цепи входного сигнала, так и в цепи выходного сигнала.

Таблица 7. Варианты операционных усилителе +36 В

Наименование	OPA192	OPA188	OPA277	OPA170	OPA140
Наиболее вероятное напряжение смещения, мкВ	10	6	10	250	30
Наибольшее возможное напряжение смещение, мкВ	150	33,5	30	2	220
Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ/°С	0,2	0,03	0,1	0,3	0,35
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	110	114	130	104	126
Коэффициент подавления нестабильного питания, мкВ/В	3	0,3	0,5	5	0,5
Наибольший возможный ток смещения, пА	20	1400	2800	15	10
Шум на 1 кГц, нВ/√Гц	5,5	8,8	8	19	5,1
Ток покоя, мА	1	0,425	0,79	0,110	1,6

Перевел Павел Плескацевич по заказу АО КОМПЭЛ

Источник