Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim

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

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

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.