Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №8

Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim

Андрусевич Анатолий


Несмотря на широкое распространение цифровых проводных и беспроводных интерфейсов для передачи информации, все еще сохраняется интерес и к аналоговым каналам, наиболее распространенным из которых является всем известная токовая петля. Это касается, в первую очередь, традиционно консервативных систем индустриальной автоматики, сбора данных, различных датчиков. Фирма Maxim предлагает широкий ассортимент решений для реализации токовой петли, краткое описание и характеристики которых приведены в настоящей статье.

Аналоговый токовый выход

Типовая схема формирования аналоговой токовой петли представлена на рис. 1. Она состоит из цифро-аналогового преобразователя с источником опорного напряжения и выходного преобразователя напряжение-ток. Выходной преобразователь позволяет контролировать состояние выхода и генерирует сигнал аварии в случае обрыва петли.

Рис. 1. Типовая схема формирования аналоговой токовой петли

Для реализации типовой схемы используем в качестве цифро-аналогового преобразователя микросхему из семейства MAX5134-MAX5139. Эта серия преобразователей состоит из одиночных, сдвоенных и счетверенных 16- и 12-разрядных ЦАПов, которые полностью совместимы программно и имеют буферизированный Rail-to-Rail выход напряжения. Сдвоенные и счетверенные микросхемы совместимы и по цоколевке (табл. 1). Все микросхемы оснащены встроенным источником опорного напряжения и имеют гарантированную монотонность. Для подключения к микроконтроллеру используется высокоскоростной (до 30 МГц) SPI-/QSPI-/MICROWIRE-/DSP-cовмеc-тимый интерфейс, кроме этого, имеется вход для асинхронного управления LDAC. Микросхема MAX15501 обеспечивает защищенный, программно конфигурируемый (с использованием последовательного интерфейса SPI) аналоговый выход. Диапазонвыходного тока может быть не только од-нополярным 0-20/4-20 мА, но и биполярным — до ±24 мА. Также есть возможность реализации выхода одно- и биполярного напряжения с компенсацией сопротивления соединительных проводов и диапазонами 0-5 В, 0-10 В или до ±12 В. Напряжение питания может быть в пределах ± (15-32,5) В.

Таблица 1. Основные характеристики микросхем MAX5134-MAX5139

ЦАП

Разрядность (количество каналов)

INL (LSB, макс.)

Напряжение питания (ток потребления, макс.)

Совместимость

Напряжение ИОНа (температурный дрейф, тип.)

MAX5134

16 (4)

±6

+2,7-5,25 В


цоколевка/программа




2,44 В (10 ppm/°C)



MAX5135

12 (4)

±1

(3,6 мА)

MAX5136

16 (2)

±6

+2,7-5,25 В

MAX5137

12 (2)

±1

(2,3 мА)

MAX5138

16 (1)

±6

+2,7-5,25 В

программа

MAX5139

12 (1)

±1

(1,6 мА)

Использование указанных микросхем позволяет легко изменять количество выходных каналов. Микросхемы ЦАПов MAX5134-MAX5139 и выходных формирователей MAX15501 позволяют объединять интерфейсы нескольких микросхем по схеме Daisy-Chain. Следует отметить, что и ЦАПы, и выходные формирователи допускают соединение в одну цепь (рис. 2).

Рис. 2. Схема подключения MAX5136 и MAX15501 к микроконтроллеру.

При индивидуальной гальванической развязке или в случае одиночного аналогового выхода удобно использовать микросхему прецизионного специализированного 16-разрядного цифро-аналогового преобразователя MAX5661 (рис. 3).

Рис. 3. Аналоговый интерфейс на базе специализированного ЦАПа MAX5661

С ее помощью можно реализовать передачу тока 0-20/4-20 мА или напряжения (по схеме с компенсацией сопротивления соединительных проводов) с амплитудой до ±10 В. ЦАП имеет гарантированную монотонность, что актуально для замкнутых регуляторов. Начальная ошибка нуля не превышает 0,1%, начальная ошибка всей шкалы не превышает 0,3%. Микросхема требует подключения внешнего источника опорного напряжения 4,096 В. Дело в том, что при работе ЦАПа температура кристалла может значительно изменяться. Это особенно проявляется при работе токовой петли с высоким напряжением питания (до 40 В) и малым сопротивлением нагрузки, поскольку регулирующий выходной транзистор встроен в микросхему. Таким образом, располагая источник опорного напряжения вне основного кристалла, можно добиться более стабильной работы схемы. Управление осуществляется по высокоскоростному (до 10 МГц) SPI/QSPI/Microwire последовательному интерфейсу, с возможностью последовательного включения нескольких микросхем (Daisy Chaining). Как и у микросхем MAX5134-MAX5139, имеется вход для асинхронного управления LDAC.

Обе схемы имеют выход аварийного состояния с открытым стоком (ERROR на рис. 2 и FAULT на рис. 3), который можно объединить с аналогичными выходами других микросхем и подать на вход внешнего прерывания микроконтроллера. Информация об аварийном состоянии выходов доступна и по последовательному интерфейсу. Конфигурировать выходные каскады обеих схем можно программно и с помощью специальных входов, которые соединяются с «землей» или с напряжением питания.

Датчик с токовым выходом

Для реализации недорогого измерительного преобразователя с выходом 4-20 мА и с питанием от токовой петли удобно использовать операционные усилители. Однако для компенсации/регулировки сдвига нуля и коэффициента передачи в этом случае приходится использовать недостаточно надежные и нестабильные потенциометры. Использование АЦП, микроконтроллера и ЦАПа позволяет добиться высокой стабильности, но значительно повышает стоимость изделия. Уникальное сочетание аналоговой сигнальной цепи с цифровой подстройкой сдвига нуля, коэффициента передачи и компенсации температурного дрейфа реализовано в микросхеме MAX1452. Все коэффициенты хранятся во встроенной энергонезависимой памяти (табл. 2).

Таблица 2. Регистры микросхемы MAX1452, расположенные во встроенной энергонезависимой памяти

Регистр

Разрядность

Типовой диапазон

Сдвиг нуля

4 бит

±63 мВ

Линейная температурная компенсация сдвига нуля

ЦАП 16 бит

0-2,5 В

Таблица (look-up table) для температурной компенсации сдвига нуля

ЦАП 16 бит 176 значений

0-5 В

Усиление

4 бит

39-234

Линейная температурная компенсация усиления

ЦАП 16 бит

0-2,5 В

Таблица (look-up table) для температурной компенсации усиления

ЦАП 16 бит 176 значений

0-5 В

Память пользователя

416 бит

-

Микросхема оснащена усилителем с программируемым коэффициентом усиления и операционным усилителем. Типовая схема включения микросхемы MAX1452 приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема измерительного преобразователя с токовым выходом и питанием от токовой петли на основе MAX1452

Микросхемы MAX1365 и MAX1367 позволяют реализовать прецизионный измерительный преобразователь с токовым выходом и цифровой светодиодной индикацией результатов измерения без использования микроконтроллера (рис. 5).

Рис. 5. Автономный измерительный преобразователь с цифровой индикацией и токовым выходом на базе MAX1365

Обе микросхемы оснащены 20-битным сигма-дельта АЦП со встроенным источником опорного напряжения и подавлением промышленной частоты сети 50 и 60 Гц более 100 дБ. Входной диапазон составляет ±200 мВ, или ±2 В. Вход дифференциальный и двуполярный при од-нополярном питании микросхемы. Имеется дифференциальный вход для подключения внешнего ИОНа АЦП. MAX1365 поддерживает индикацию до 4,5 разряда (±19 999), а MAX1367 — до 3,5 разряда (± 1999) семи-сегментного светодиодного индикатора с общим катодом и регулируемым током от 0 до 20 мА. 15-битный ЦАП с преобразователем напряжение-ток обеспечивает два выходных диапазона (4-20 или 0-16 мА) и допускают работу в диапазоне от 7 до 30 В.

HART

Дальнейшее развитие токовой петли, с сохранением совместимости с изделиями предыдущих поколений, пришло с реализацией цифровой передачи данных, для которой в настоящее время используется протокол связи HART (Highway Addressable Remote Transducer Field Communications Protocol) с применением передачи данных сдвигом частоты (FSK) по стандарту Bell 202 (www.hartcomm.org).

Для минимального влияния на токовую петлю и надежной передачи данных качество синусоидального сигнала, генерируемого HART-модемом, должно быть высоким. Для формирования выходного сигнала, а также для фильтрации входного сигнала чаще всего используются операционные усилители с большим количеством прецизионных внешних компонентов. Кардинально упростить схему при сохранении высокого качества сигнала можно с помощью микросхемы DS8500, в которой для генерации/ приема FSK-сигнала использованы соответственно ЦАП/АЦП. Структурная схема ИМС HART-модема DS8500 приведена на рис. 6.

Рис. 6. HART-модем DS8500

Выходной ЦАП обеспечивает минимальный уровень искажений выходного синусоидального сигнала, а цифровая обработка входного FSK-сигнала — надежную передачу данных в условиях сильных помех. Микросхема питается от напряжения 2,7-3,6 В и потребляет не более 285 мкА, что позволяет использовать ее в измерительных преобразователях с питанием от токовой петли.

Заключение

Фирма Maxim предлагает широкий выбор микросхем для реализации токовой петли для передачи данных. Описание всех изделий выходит за рамки настоящей статьи. Ниже приводится перечень микросхем с кратким описанием, которые также можно использовать:

  • MAX9943, MAX9944 — прецизионный операционный усилитель с выходным током 20 мА и напряжением питания до 38 В.
  • MAX1664 — прецизионный интеллектуальный измерительный преобразователь со встроенным 16-битным микроконтроллером, энергонезависимой памятью, 16-битными АЦП/ЦАП и 12-битными ШИМ-выходами.
  • MAX1366, MAX1368 — прецизионный измерительный преобразователь с токовым выходом и цифровой светодиодной индикацией для работы с микроконтроллером.

За дополнительной информацией обращайтесь к официальным дистрибьюторам Maxim в России: www.maxim-ic.ru/contact.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке