Аналоговый сигнал 4 20 ма. Сигналы и стандарты

Нижний Новгород

Данная статья является продолжением серии публикаций в журнале ИСУП, посвященных нормирующим *, **, *** ****. Статья «Преобразование подобного в подобное в системах измерения и управления» (ИСУП. 2012. № 1) была посвящена нормирующим , которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе.

Почему именно сигнал 4…20 мА?

Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:
- на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и стоимость, снижаются;
- токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
- обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
- токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя: минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Характеристики преобразователей токовой петли 4…20 мА

Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе . В качестве примера приведем нормирующие преобразователи НПСИ-ГРТП, выпускаемые научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид НПСИ-ГРТП - выпускаемых НПФ «КонтрАвт» преобразователей с гальваническим разделением 1, 2, 4 каналов токовой петли

Предназначены для выполнения всего лишь двух основных функций:
- измерение активного токового сигнала 4…20 мА и преобразование его в такой же активный токовый сигнал 4…20 мА с коэффициентом преобразования 1 и с высоким быстродействием;
- гальваническое разделение входных и выходных сигналов токовой петли.

Основная погрешность преобразования НПСИ-ГРТП составляет 0,1 %, температурная стабильность - 0,005 % / °C. Рабочий диапазон температур - от -40 до +70 °C. Напряжение изоляции - 1500 В. Быстродействие - 5 мс.

Варианты подключения к источникам активных и пассивных сигналов показаны на рис. 3 и 4. В последнем случае требуется дополнительный источник питания.

Рис. 3. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к активному источнику

Рис. 4. Подключение преобразователей НПСИ-ГРТП к пассивному источнику с применением дополнительного блока питания БП

В системах измерения, где необходимо разделение входных сигналов, источником входного сигнала, как правило, являются измерительные датчики (ИД), а приемниками - вторичные измерительные приборы (ИП) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.).

В системах управления, где требуется разделение выходных сигналов, источниками являются управляющие устройства (УУ) (регуляторы, контроллеры, регистраторы и пр.), а приемниками - исполнительные устройства (ИУ) с токовым управлением (мембранные исполнительные механизмы (МИМ), тиристорные регуляторы, частотные преобразователи и пр.).

Примечательно, что для преобразователя НПСИ-ГРТП, выпускаемого , не требуется отдельное питание. Он запитывается от входного активного источника тока 4…20 мА. При этом на выходе также формируется активный сигнал 4…20 мА, и дополнительного источника в выходных цепях не требуется. Поэтому решение на базе разделителей токовой петли, которое используется в НПСИ-ГРТП, является весьма экономичным.

Выпускаются три модификации преобразователя: . Они различаются по количеству каналов (1, 2, 4 соответственно) и конструктивному исполнению (рис. 2). Одноканальный преобразователь размещен в малогабаритном узком корпусе шириной всего 8,5 мм (габариты 91,5 × 62,5 × 8,5 мм), двухканальный и четырехканальный - в корпусе шириной 22,5 мм (габариты 115 × 105 × 22,5 мм). Преобразователи с гальванической развязкой применяются в системах с десятками и сотнями сигналов, для этих систем размещение такого количества преобразователей в конструктивных оболочках (шкафах) становится важнейшей проблемой. Ключевым фактором здесь является ширина одного канала преобразования вдоль DIN-рельса. в 1-, 2‑ и 4‑канальном исполнениях имеют предельно малую «ширину канала»: 8,5, 11,25 и 5,63 мм соответственно.

Следует обратить внимание, что в многоканальных модификациях НПСИ-ГРПТ2 и НПСИ-ГРТП4 все каналы полностью не связаны между собой. С этой точки зрения работоспособность одного из каналов никак не влияет на работу других каналов. Вот почему один из аргументов против многоканальных преобразователей - «сгорает один канал, а перестает работать весь многоканальный прибор, и это резко понижает безопасность и устойчивость системы» - не работает. Зато такое важное положительное свойство многоканальных систем, как более низкая «цена канала», проявляется в полной мере. Двух- и четырехканальные модификации преобразователей снабжены винтовыми разъемными соединителями, которые облегчают их монтаж, техническое обслуживание и ремонт (замену).

В ряде задач требуется подать сигнал 4…20 мА на несколько гальванически изолированных приемников. Для этого можно применить как одноканальные преобразователи НПСИ-ГРТП1, так и многоканальные НПСИ-ГРТП2 и НПСИ-ГРТП4. Схемы соединения приведены на рис. 5.

Рис. 5. Применение одноканальных и двухканальных преобразователей для размножения сигнала «1 в 2»

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений в одноканальной модификации производится пружинными клеммными соединителями, а в двух- и четырехканальных - разъемными винтовыми соединителями.

Рис. 6. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Таким образом, новую линейку преобразователей для разделения токовой петли 4…20 мА, представленную НПФ «КонтрАвт», можно вполне обоснованно назвать компактным и экономичным решением, способным конкурировать по совокупности характеристик с соответствующими импортными аналогами. Преобразователи предоставляются в опытную эксплуатацию, поэтому пользователь имеет возможность опробовать устройства в работе, оценить их характеристики и принять взвешенное решение о целесообразности их применения.
____________________________

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 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.

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:

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

• Давление;
• Температура;
• Поток жидкости.

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
2. Приёмник или монитор.
3. Передатчик (сенсор).
4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

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.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА - обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:

• Нет тока – вести приём на 1 канале.
• +6 мА – передавать на 1 канале.
• -6 мА – принять информацию на 2 канале.
• -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

1. Есть ток.
2. Нет тока.

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

1. MIDI-In.
2. MIDI-Out.
3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

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.

Токовая петля — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. Как правило, система с использованием токовой петли включает в себя датчик (давления, температуры, газов и т.п.), передатчик, приемник и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или микроконтроллер (рисунок 1).

Рис. 1.

На выходе датчика формируется напряжение, пропорциональное измеряемому параметру. Передатчик (усилитель тока, управляемый напряжением) преобразует напряжение от датчика в соответствующий ток от 4 до 20 мА. На другом конце линии приемник (усилитель напряжения, управляемый током) преобразует ток 4…20 мА обратно в напряжение. Аналого-цифровой преобразователь оцифровывает выходное напряжение приемника для последующей обработки процессором или микроконтроллером.

В системах с интерфейсом токовой петли информация передается с помощью модулированного сигналом тока. В токовой петле 4…20 мА, наименьшее значение сигнала соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом, весь диапазон допустимых значений составляет 16 мА. В петле постоянно поддерживается ток 4 мА, поэтому при более низкой величине тока обнаруживается обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.

Как правило, в системах промышленной автоматики датчики удалены на большие расстояния от центрального управляющего узла, поэтому токовая петля до сих пор не утратила свою актуальность, поскольку является наиболее помехоустойчивым аналоговым интерфейсом, особенно — по сравнению с методами передачи данных напряжением. Более полноценная система, включающая в себя вторую токовую петлю (например, для управления приводом), продемонстрирована на рисунке 2.

Рис. 2.

Опираясь на эту схему, рассмотрим решения, которые предлагает компания Maxim для ее реализации.

Операционный усилитель
в качестве преобразователя напряжение-ток

На рисунке 3 представлена простая реализация преобразователя «напряжение-ток» с использованием операционного усилителя (ОУ) MAX9943. Данный ОУ при напряжении питания ±15 В обеспечивает выходной ток более ±20 мА, а также стабилен при емкостной нагрузке до 1 нФ, что делает его весьма подходящим для использования в длинной линии передачи. Для работы в диапазоне выходного тока 0…20 мА возможно однополярное питание усилителя, поскольку MAX9943 обеспечивает размах выходного напряжения, равный напряжению питания (rail-to-rail output ).

Рис. 3.

В данной схеме зависимость между входным напряжением и током на нагрузке описывается выражением: V IN = (R2/R1) ґ R SENSE ґ I LOAD + V REF . Типовое значение нагрузочного сопротивления может составлять несколько кОм, В этом примере: R1 = 1 кОм; R2 = 10 кОм; R SENSE = 12,5 Ом; R LOAD = 600 Ом.

Для преобразования входного напряжения ±2,5 В в ток ±20 мА опорное напряжение V REF должно быть равно 0 В. Чтобы получить токовый выход 4…20 мА из входного напряжения 0…2,5 В, необходимо задать смещение для постоянного присутствия в линии тока 4 мА. При V REF = -0,25 В входное напряжение 0…2,5 В преобразуется в выходной ток 2…22 мА. Обычно разработчики выбирают немного расширенный динамический диапазон для возможности последующей программной калибровки. Зависимости входного напряжения и выходного тока показаны на рисунках 4 и 5.

Рис. 4. Зависимость I LOAD от V IN для выхода ±20 мА

Рис. 5. Зависимость I LOAD от V IN для выхода 4-20мА

MAX15500 и MAX15501 — формирователи сигнала токовой петли

Схема на рисунке 3 с использованием операционных усилителей — это простая реализация токовой петли, которая вызывает сложности при калибровке, а также большую погрешность при передаче сигналов в реальных условиях эксплуатации. На практике, для реализации преобразователя «напряжение-ток» целесообразно использовать однокристальные решения, технические параметры которых жестко описаны в документации.

Рис. 6.

Пример подобного решения — MAX15500/15501, программируемые по интерфейсу SPI формирователи аналогового токового выхода или выхода напряжения. Входное напряжение для этих преобразователей, как правило, берется с выхода внешнего ЦАП. Для MAX15500 диапазон входного напряжения 0…4,096 В, а для MAX15501 — 0…2,5 В. Программно доступны шесть режимов работы выходного каскада: ±10 В; 0…5 В; 0…10 В; ±20 мА; 0…20 мА; 4…20 мА. Микросхемы обеспечивают защиту от короткого замыкания; определение обрыва в линии передачи; защиту от перегрева и определение падения питающего напряжения ниже порогового.

MAX5661 — ЦАП с токовым выходом

Наиболее интегрированный вариант преобразователя с токовым выходом — MAX5661. Это одноканальный 16-битный ЦАП с прецизионным высоковольтным усилителем, который организует законченное решение для преобразования цифрового сигнала от процессора в программируемый токовый выход (0…20 мА или 4…20 мА) или в напряжение промышленного стандарта ±10 В.

Рис. 7.

Управление и передача данных в ЦАП осуществляется по четырехпроводному SPI-интерфейсу. В микросхеме предусмотрен выход #FAULT, с помощью которого можно диагностировать обрыв в токовой петле или короткое замыкание на выходе напряжения. Следует отметить, что MAX5661 требует использования внешнего источника опорного напряжения 4,096 В. В документации приводится список рекомендуемых ультрапрецизионных ИОН, например, MAX6341, MAX6133 или MAX6033. Для быстрого освоения всего функционала MAX5661 предлагается отладочный набор MAX5661EVCMAXQU+ с интерфейсом к ПК для управления ЦАП с помощью графического интерфейса (GUI).

MAX1452 — преобразователь сигнала датчика
в токовую петлю

До сих пор мы рассматривали решения, подходящие для преобразования сигнала от микроконтроллера или ЦАП, т.е. для передачи управляющих сигналов. Для получения токового сигнала со стороны датчика Maxim предлагает микросхему MAX1452, сочетающую в себе аналоговую часть с ОУ для формирования информационного сигнала и цифровую схему, обеспечивающую компенсацию температурного дрейфа, подстройку сдвига нуля, а также программируемый с помощью PGA коэффициент передачи. Все коэффициенты подстройки хранятся во встроенной EEPROM-памяти объемом 768 байт.

На рисунке 8 представлена схема включения MAX1452 с токовым выходом 4…20 мА и питанием от токовой петли. Для формирования тока в петле используется транзистор 2N2222A.

Рис. 8.

HART-модем DS8500

HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol ) — цифровой промышленный протокол передачи данных, позволяющий, как правило, осуществить настройку датчика или получить информацию о его состоянии с использованием линии, на которой организована аналоговая токовая петля. Для передачи цифровых данных используется FSK-модулированный сигнал (модуляция переключением частоты) поверх токовой петли 4…20 мА (рисунок 9). Такой способ реализации позволяет использовать протокол HART в уже существующих системах с аналоговой токовой петлей.

Рис. 9.

Для организации физического уровня HART (модуляции и демодуляции) компания Maxim предлагает микросхему HART-модема DS8500, которая позволяет осуществлять полудуплексный режим приема-передачи, при этом «1» модулируется частотой 1,2 кГц, «0» — 2,2 кГц. Функционально DS8500 состоит из демодулятора, цифрового фильтра, АЦП, модулятора и ЦАП (рисунок 10).

Рис. 10.

Подобная архитектура (с наличием цифровой фильтрации и ЦАП, который генерирует чистый синусоидальный сигнал с непрерывным по фазе переключением между частотами) обеспечивает надежный прием сигнала в условиях помех.

Заключение

Компания Maxim предлагает полный спектр решений для организации передачи данных с использованием токовой петли как от датчиков до центрального управляющего блока, так и от этого блока до исполнительных узлов. Помимо этого, для расширения функционала подобной промышленной системы в линейке Maxim присутствуют более 300 различных микросхем интерфейсов RS-485/RS-232, CAN, LIN.

Литература

1. "How to use highvoltage and highcurrent-drive opamps in 4-20 mA current-loop systems", Maurizio Gavardoni, Maxim Engineering Journal №68

2. «Аналоговая токовая петля — решения от компании Maxim», Анатолий Андрусевич, «Компоненты и технологии» №8 2009

Один из интерфейсов промышленной автоматики — токовая петля 4-20мА, используется для передачи данных от измерительных преобразователей контроллерам. В интерфейсе идёт представление аналогового сигнала: 0мА — обрыв, 4мА — минимальный уровень сигнала, 20мА — максимальный уровень сигнала. Выпускается множество промышленных датчиков с интерфейсом токовой петли 4-20мА.

В статье предлагаю ознакомиться с преобразователем аналогового сигнала 0-5В (можно пересчитать и на другие диапазоны) в аналоговый сигнал 4-20мА — микросхемой xtr115.

Микросхема универсальная: к ней можно подключать резистивную нагрузку, источники напряжения 0-5В, с пересчётом и другие диапазоны, с добавлением одного операционного усилителя измерительный мост, выход микроконтроллера с аналоговым сигналом (ЦАП) или ШИМ сигналом пропущенным через фильтр.

Входной сигнал подаваемый на Iin (вывод 2) контролирует выходной ток управля транзистором Q1. Вход питания (+) линии 4-20 подключается к V+ (вывод 7), выход Io (вывод 4). Схема имеет встроенные стабилизаторы на 5В Vreg (вывод 8) и 2,5В(xtr115) или 4,096В (xtr116) Vref (вывод 1), которые можно использовать для питания внешних схем, при его использовании нужно учесть: что максимальный ток, который можно снять со стабилизатора не должен превышать 3,7мА (микросхема потребляет около 200мкА, а минимальный уровень интерфейса 4-20 — 4мА), так же весь отдаваемый ток микросхемой со всех её выводов должен вернуться на вывод Iret. Напряжение с вывода Vref можно использовать для смещения входного сигнала, поступаемого на вход Iin, для получения минимального уровня тока 4мА на интерфейсе 4-20. Ток протекающий через Iin (вывод 2) 100 кратно увеличивается протекает через Io (вывод 4), Io=100*Iin .

Рассмотрим схему включения преобразователя xtr115u с аналоговым входом 0-5В.

Основой преобразователя выступает микросхема xtr115. Транзистор Q1 должен быть мощностью не менее 0,8Вт, напряжением 40В и током 20мА, например MMBT2222A, BC817, но лучше взять что-нибудь по мощнее. Конденсатор C2 сглаживает пульсации на линии 4-20, резистор R3 ограничивает максимальный протекаемый ток, на нём может выделяться до 0,1Вт, рекомендуется типоразмер 1206. По входу конденсатор C1 выступает в роли входного фильтра. Резистор R1 ограничивает протекание входного тока на вход Iin для 5В на 160мкА, что соответствует 16мА на выходе Io, расчётное значение R1 31,25кОм. Резистор R2 номиналом в 62,5кОм устанавливает смещение 4мА на выходе Io (вывод 4), для этого с вывода источника опорного напряжения Vref на вход сигнала Iin должен протекать ток 40мкА. Протекание тока через резистор смещения R2 в 40мкА и протекание тока через резистор R1 ограниченного на 160мкА даёт на входе Iin диапазон от 40 до 200мкА, микросхема умножает это значение на 100 и на выходе Iout диапазон протекаемого тока 4-20мА.

Внимание! дополнение к схеме. Транзистора в корпусе sot23 не подходят для данной схемы, их можно применять только на малых напряжениях до 15В и наличии токоограничивающего резистора (R3). Максимальное тепловыделение на транзисторе может достигать 0.8Вт, а это уже корпуса D-PACK, при меньшем напряжении с натяжкой sot-223. На резисторе R3 может выделяться мощность около 0.1Вт, оптимальный типоразмер 1206.
Плата приведенная в статье проектировалась для знакомства с данной микросхемой и работает при напряжениях на токовом интерфейсе ниже 15В, кратковременно проверялась на 30В.

Внутреннее устройство преобразователя.

Для облегчения подбора резисторов R1 и R2 и для добавления установки/калибровки минимального и максимального значения номиналы резисторов были снижены до более распространенного номинала из таблицы E и к ним были добавлены подстроечные многооборотные резисторы.

R3 — установка нуля, подстройка 4мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к общему проводу. R1 — установка максимального значения, подстройка 20мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к VDD 5V.

Печатная плата имеет следующий вид:

Микросхема преобразователя xtr115 в корпусе SO8, транзистор в корпусе sot-23 (транзистор подобран без запаса по мощности, лучше выбрать в более большом корпусе с лучшим рассеиванием тепла). Все резисторы и конденсаторы в корпусе 0805. Резистор R2 номиналом в 30К разбит на 2: 10К и 20К. Подстроечные резисторы R1 и R3 многооборотные в корпусе 3296W. Разъём X1 выполнен в виде PLS-3R, квадратный вывод — GND, клеммник X2 — 350-021-14 имеет шаг 3,5мм.

Примеры использования интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115:

Самое простое, что можно подключить к преобразователю — это переменный резистор (R1, на схеме с примерами выше) сопротивлением от 3,3кОм или датчик с изменяемым выходным сопротивлением.

Так же к xtr115 можно подключить выход микроконтроллера ЦАП или ШИМ через фильтр (П-образный фильтр на C1, R2, C2, на схеме выше), который выровняет ШИМ сигнал контроллера в аналоговый сигнал, что бы его можно будет подать на вход Vin преобразователя. Не стоит забывать про уровни: выходной сигнал микроконтроллера должен перекрывать весь рабочий диапазон преобразователя (4-20мА), для этого напряжение питания микроконтроллера должно быть то же 5В, как и у преобразователя, или придётся ставить дополнительные согласующие элементы.

К преобразователю так же можно подключить готовые датчики с изменяемым на выходе напряжением. Например: линейный датчик температуры LM35 (U1, см. на схеме выше), для работы которого понадобиться только резистор подтяжки R3 номиналом в 2кОм, которым можно подтянутся к встроенному в xtr115 стабилизатору напряжения 5В. Такое решение будет допустимо только для датчиков с небольшим потребляемым током, до 3,7мА, если больше они своим потреблением внесут искажения в работу интерфейса 4-20мА, для таких задач придётся использовать внешний источник питания.