Исполнительные механизмы и датчики систем промышленной автоматики соединяются между собой с помощью различного рода интерфейсов. Несмотря на широкое распространение цифровых интерфейсов CAN, RS-485, Ethernet, аналоговые интерфейсы, в том числе интерфейс токовой петли, все еще сохраняют популярность. Задача согласования аналогового сигнала с интерфейсом его передачи включает несколько составляющих (некоторые из которых являются опциональными):

• Формирование напряжения питания или питающего тока для смещения источника сигнала;
• Предварительная аналоговая обработка (линеаризация, фильтрация и др.);
• Согласование с интерфейсом передачи.

Выполнение указанных задач при условии, что проектируемое устройство относится к высокому классу точности, связано с преодолением множества трудностей, в частности связанных с обеспечением высокой температурной стабильности, малого начального разброса параметров и высокой помехоустойчивости. А самостоятельное их преодоление связано с рисками неудачного проектирования и увеличения сроков продвижения продукции на рынок. Минимизировать эти риски можно за счет применения специализированных формирователей сигнала. Компания Texas Instruments (TI) выпускает несколько ИС, позволяющих создать прецизионные решения для согласования аналогового сигнала с аналоговым интерфейсом на одной, максимум двух микросхемах. При этом стоимость таких ИС будет сопоставима со стоимостью прецизионных ИОН и операционных/инструментальных усилителей – «кирпичиков» альтернативных дискретных решений.

Общие сведения об интегральных формирователях сигналов TI представлены в таблице 1 [1].

Таблица 1. Интегральные формирователи сигналов промышленного назначения Texas Instruments

Из нее следует, что ИС разделяются на четыре группы.

ИС первой группы предназначены для применения в измерительных преобразователях в качестве согласовывающего звена между датчиком и токовой петлей 4...20 мА. Все эти ИС рассчитаны на двухпроводное подключение к токовой петле и автономно обеспечивают себя электропитанием. Более того, в них предусмотрен внутренний стабилизатор напряжения, который можно задействовать для питания внешней маломощной схемы. Часть ИС рассматриваемой группы имеют узкую специализацию. Например, ИС XTR105, XTR112, XTR114 специально рассчитаны на работу с терморезисторами (RTD). Для этого в них предусмотрены источники тока для питания резистивного датчика и схема линеаризации его передаточной характеристики. В свою очередь, ИС XTR106 предназначена для работы совместно с резистивными датчиками мостового типа. Она также содержит схему линеаризации, но, в отличие от предыдущих ИС, вместо источников тока оснащена двумя источниками опорного напряжения (ИОН) с аналогичным назначением. Передаточная характеристика выполненного на основе любой из указанных выше ИС преобразователя имеет вид: I_OUT = 4 мА + De_IN (40/R_G), где I_OUT - выходной ток [мА], De_IN - входное дифференциальное напряжение [мВ], R_G - сопротивление внешнего резистора, задающего коэффициент передачи внутреннего инструментального усилителя [Ом]. Наиболее простой архитектурой в рассматриваемой группе обладают ИС XTR115...117. В них встроен преобразователь постоянного тока, стабилизатор напряжения для питания внешней схемы и ИОН (только у XTR115/6). Несмотря на то, что вход данных ИС является токовым, его легко можно преобразовать во вход по напряжению добавлением внешнего прецизионного резистора. Данные ИС идеальны для построения интеллектуальных измерительных преобразователей, в котором большинство задач обработки сигнала возложены на микроконтроллер (МК), а результирующий сигнал передается по токовой петле в аналоговом и/или цифровом (протокол HART) виде. При таком применении в качестве источника сигнала для ИС формирователей может служить выход встроенного в МК ЦАП или широтно-импульсного модулятора (при условии установки внешнего ФНЧ). Передаточная характеристика ИС имеет вид: I_OUT = 100 ╢ I_IN. Наконец, последний представитель рассматриваемой группы, ИС XTR108, благодаря своей оригинальной архитектуре (см. рисунок 1), предоставляет разработчику наибольшую гибкость.

Рис. 1. Функциональная схема и схема включения ИС XTR108 

Входящие в состав ИС программируемый усилитель (PGA) и два источника опорного тока связаны с шестью входами посредством мультиплексора, который дает возможность независимо управлять подключением каждого источника тока и входа PGA к любому из входов, в том числе - к одному и тому же. В сочетании с доступностью внутри ИС отдельного ОУ, который можно задействовать для преобразования опорного тока в опорное напряжение, это дает разработчику широкие возможности по организации питания датчиков (прецизионное напряжение; два отдельных источника или один с удвоенным током, с подключением их ко входу PGA или с возможностью использовать их на отдельных выводах ИС). В конечном счете, данная ИС делает возможной совместную работу как с терморезистором от 10 Ом до 10 кОм по двух- и трех-проводным схемам подключения, так и с мостовым резистивным датчиком, не требуя при этом установки внешних активных компонентов. Так же как и ряд предыдущих ИС, XTR108 оснащена схемой линеаризации, но в отличие от них, в данную микросхему встроена схема цифровой калибровки, которая позволяет скомпенсировать разброс опорных токов, смещения PGA и погрешности схемы линеаризации. Калибровочные данные должны храниться во внешней ИС EEPROM, для подключения к которой предусмотрен SPI-совместимый интерфейс. Через этот же интерфейс можно управлять коэффициентом усиления PGA (семь значений в диапазоне от 6,25 до 400). Пожалуй, к единственному недостатку ИС можно отнести тот факт, что она требует установки в выходном каскаде внешнего, работающего в режиме обеднения, n-канального MOSFET-транзистора (например, BSP149 производства Infineon). Остальные ИС данной группы для той же цели требуют использования более легкодоступного биполярного n-p-n транзистора, а некоторые из них (например, X105/6) могут работать даже без каких-либо внешних активных элементов в выходном каскаде. Все ИС данной группы рассчитаны на работу в промышленном температурном диапазоне -40...85°С, а XTR117 - в расширенном диапазоне -40...125°С.

Ко второй группе отнесено всего две ИС специализированных программируемых усилителей. Они предназначены для подключения к мостовому резистивному датчику и для формирования выходного сигнала напряжения. Таким образом, для получения завершенного решения датчика с подключением к токовой петле 4...20 мА данные ИС необходимо дополнить формирователем токового сигнала, например, XTR117 из предыдущей группы. ИС PGA309 оснащена системой калибровки, подобной той, что применена в XTR108, но дополненной возможностями автоматической температурной компенсации. При этом для измерения температуры доступно три способа: по изменению сопротивления в мосте, с помощью встроенного датчика температуры и с помощью подключенного внешне диода, термистора или RTD. Так же как и XTR108, PGA309 предусматривает хранение калибровочных данных и настроек во внешней двухпроводной EEPROM, но у PGA309 предусмотрен еще один дополнительный UART-совместимый однопроводной интерфейс, который предоставляет доступ как к внутренним регистрам, так и к внешней EEPROM. Кроме того, PGA309 поддерживает широкие возможности по обнаружению неисправностей в мостовом датчике, в том числе обнаружение обрыва и короткого замыкания в каждом плече моста и на каждом входе его подключения к ИС. Другой представитель данной группы, ИС PGA308, отличается от PGA309 отсутствием функции цифровой температурной компенсации и заменой интерфейса внешней EEPROM на встроенную однократно-программируемую память. Таким образом, применение PGA308 позволяет сократить количество внешних элементов в применениях, не требующих обеспечения высокой температурной стабильности. Обе ИС рассчитаны на работу в температурном диапазоне -40...125°С.

Третью группу ИС составляют драйверы с выходом по току или напряжению. Важным их отличием от формирователей из первой группы является соотношение уровней общей сигнальной цепи и общей цепи питания токовой петли. Если у ИС первой группы, ввиду двухпроводного подключения к токовой петле, уровень общей сигнальной цепи является «плавающим», то в этой группе он совпадает с уровнем общей цепи питания токовой петли. Из этого вытекает основное предназначение ИС - они необходимы для построения активных, то есть оснащенных собственным источником питания, формирователей сигнала тока/напряжения. Примерами применения таких формирователей могут служить модули аналогового вывода промышленных контроллеров, датчики генераторного типа (например, трансформаторные датчики тока), диагностируемые аккумуляторные источники питания и др. Данные ИС могут также использоваться в качестве программируемых источников тока общего назначения. ИС XTR110/1 представляют собой прецизионные преобразователи «напряжение-ток». Во входном каскаде ИС XTR110, выполненной по архитектуре преобразователя тока, предусмотрены задающие диапазон входного напряжения прецизионные резисторы. Таким образом исключается потребность в их установке снаружи, но в то же время сужается гибкость по выбору входного диапазона. Всего пользователю доступны два входных диапазона: 0...5 В или 0...10 В. ИС XTR111 выполнена по архитектуре токового зеркала, имеет фиксированный входной диапазон 0...12 В и оснащена регулируемым стабилизатором напряжения. Наибольшей функциональностью в данной группе обладает ИС XTR300 (см. рисунок 2).

Рис. 2. Функциональная схема и схема включения ИС XTR300

Основой ее архитектуры являются операционный усилитель (ОУ) - драйвер и измерительный усилитель (ИУ). Благодаря этому, разработчик получает возможность конструирования как формирователей сигнала напряжения, так и формирователей сигнала тока, причем, в отличие от всего, что рассматривалось выше, - знакопеременных формирователей (±20 мА или ±10 В). Когда ИС работает в режиме формирования напряжения, есть возможность контролировать ток нагрузки (через вывод I-MON), при этом для реализации данной функции не требуется установка внешнего токового шунта. В режиме формирования тока внутренний ИУ не задействован, и поэтому его можно использовать как высоковольтный высокоимпедансный канал измерения общего назначения. Возможным вариантом применения этого канала является удаленный контроль напряжения на нагрузке. Режим работы ИС задается через внешние входы. Через вход OD выход ИС можно перевести в отключенное высокоимпедансное состояние. Также ИС имеет функции сигнализации об аварийных режимах:

• перегрев (выход OT);
• выход за пределы синфазного напряжения на входах ИУ (выход CM);
• токовая перегрузка или короткое замыкание в режиме формирования напряжения или обрыв нагрузки или ее большое сопротивление в режиме формирования тока (выход LD).

При необходимости автоматического отключения выхода XTR300 при перегреве достаточно замкнуть выводы OT и OD.

В последнюю, четвертую, группу входит одна ИС, RCV420, предназначенная для прецизионного обратного преобразования токового сигнала, в том числе 4...20 мА, в сигнал напряжения 0...5 В. Основные области применения ИС: модули аналогового ввода данных промышленных контроллеров, системы сбора данных, мониторинга и т.п. Благодаря широкому диапазону входных синфазных напряжений (±40 В) ИС может использоваться и для контроля потребляемого от промышленных источников питания и зарядных устройств тока.

Заключение

Компания Texas Instruments выпускает широкий набор интегральных формирователей сигналов, часть из которых оптимизирована под определенные применения, а часть обладает избыточностью архитектуры, повышающей гибкость применения ИС. Поскольку в данной статье затронуты в основном лишь функциональные особенности ИС, то окончательное решение по их выбору необходимо принять с учетом соответствия приведенных в документации характеристик точности требованиям к прецизионности разрабатываемого устройства.

Литература

1. Amplifier and Data Converter Guide//Selection & Solution Guide, Texas Instruments, lit. num. SLYB115C, 1Q 2009. - 140 p.

2. Using the XTR115 with the PGA309 to Generate 4mA to 20mA Output//Application Report, Texas Instruments, lit. num. SBOA107B, June 2005, Revised April 2006. - 6 p.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: analog.vesti@compel.ru

PLUG&PLAY 

Пример применения:

Рис. 3. Пример реализации тензометрического датчика с токовым выходом 4...20 мА

На рисунке 3 приведен пример реализации датчика давления с подключением к токовой петле 4...20 мА. Схема выполнена на основе двух ИС. PGA309 отвечает за преобразование нелинейного напряжения мостового тензорезистивного датчика в линейное напряжение, а XTR115 выполняет преобразование этого напряжения в токовый сигнал 4...20 мА и обеспечивает схему напряжением питания. Поскольку вход ИС XTR115 является токовым, то для его согласования с выходом по напряжению PGA309 в схеме применены резисторы R1 и R2 (I_IN = V_{OUT_PGA}/(R1 + R2)). С точки зрения статических характеристик, резисторы R1 и R2 можно было бы заменить одним резистором, однако здесь, чтобы появилась возможность организации простого ФНЧ первого порядка, применены именно два. Резистор R3 предназначен для задания смещения выходного тока (4 мА при использовании указанного на схеме номинала R3). Добиться работы выхода в диапазоне 4...20 мА можно и без использования резистора R3. Для этого необходимо добиться изменения начальной границы выходного диапазона PGA309 и изменить номиналы резисторов R1, R2 (например, 0,9...4,5 В и R1+R2 = 22,5 кОм). Всего в приведенной схеме установлено три каскада фильтрации. Первый каскад образован конденсаторами C1, C2, C3. Конденсатор С1 предназначен для фильтрации входного синфазного шума, а С2, С3 - для фильтрации дифференциального шума на входе PGA309. Поскольку сопротивление плеч моста может оказаться достаточно низким и, как следствие, вероятна ситуация, когда расчетные значения емкостей данных конденсаторов будут существенно превышать 1 мкФ, то во избежание такой ситуации в схему введены резисторы RX, RY. Второй каскад фильтрации образован выходом PGA309 и конденсатором С4. Наконец, третий каскад фильтрации образован упомянутыми ранее резисторами R1, R2 и конденсатором C5. Приведенные значения номиналов конденсаторов и резисторов всех каскадов фильтрации соответствует частоте f(3 дБ) = 500 Гц. Более детально о методике расчета параметров и выборе компонентов данной схемы см. в [2].