Moduły wyjść analogowych - komponenty i konfiguracje

Rys. 1. Moduł wyjść analogowych sterujących zaworami w układzie sterowania przykładowego procesu przemysłowego

Zasadniczym elementem modułów wyjść analogowych są przetworniki cyfrowo-analogowe, a jednym z ich ważniejszych parametrów jest rozdzielczość. W przypadku przetworników wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych przyjmuje ona typowo wartości z zakresu od 12 do 16 bitów przy dokładności rzędu 0,1%.

Sygnały na wyjściu analogowym mają najczęściej następujące wartości: 5V, 10V, 0‒10V, 4‒20mA i 20mA, przy czasie ustalania przetwornika C/A w zakresie od 5μs do 100ms. Odpowiedni zakres sygnału wyjściowego jest związany z konkretnymi wymaganiami danej aplikacji, w związku z czym użyteczną funkcją jest możliwość programowego wyboru poziomu sygnału wyjściowego. Opcja taka zwiększa funkcjonalność przetworników.

Dodatkowe przydatne funkcje to m.in. możliwość indywidualnej konfiguracji każdego kanału i odczytu informacji w celach diagnostycznych oraz jednoczesne przesłanie jednakowego i określonego sygnału na wszystkie wyjścia przetwornika w razie awarii.

C/A W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH

Rys. 2. Schemat typowego modułu wyjść analogowych

W praktycznych realizacjach układów wyjść analogowych sterujących urządzeniami automatyki przemysłowej wykorzystywane są dwie konfiguracje przetworników C/A. Pierwszym rozwiązaniem jest użycie wydzielonego układu C/A dla każdego kanału. Przetwornik taki może być jednokanałowy lub wielokanałowy w przypadku, gdy niezbędna jest większa liczba kanałów, ale nie jest wymagana izolacja między nimi.

Architekturę tego typu układu przedstawiono na rys. 3. W aplikacji tej można zastosować przetwornik LVSS (Low-Voltage Single-Supply), o zakresie napięcia wyjściowego od 0V do UREF, które może być w układzie kondycjonowania przetworzone w sygnał bipolarny napięciowy lub prądowy 4‒20mA. Istnieje także możliwość wykorzystania przetwornika z wyjściem bipolarnym.

W systemach wymagających dodatkowej izolacji międzykanałowej konieczne jest zastosowanie jednokanałowych przetworników A/C. Na rys. 4 pokazano przykład zastosowania przetwornika tego typu, wraz ze wzmacniaczem operacyjnym i źródłem napięcia, w pętli prądowej 4‒20mA.

WADY I ZALETY

Rys. 3. Schemat układu wyjść analogowych z wielokanałowym przetwornikiem C/A

Dokonując wyboru konkretnego rozwiązania, należy rozważyć wszystkie za i przeciw konkretnego typu układu. Przykład stanowić mogą przetworniki C/A zapewniające bipolarną zmianę napięcia wyjściowego. Na rys. 5 został przedstawiony schemat blokowy prezentujący główne komponenty układu omawianego systemu. Podstawowe elementy obejmują precyzyjny przetwornik C/A, źródło napięcia, układ regulacji off setu i wzmocnienia oraz wzmacniacz wyjściowy. Integracja precyzyjnych źródeł napięcia jest trudna, ale postęp technologiczny, który w tym zakresie nastąpił w ciągu kilku ostatnich lat, umożliwia ich scalenie przy zachowaniu kluczowych parametrów.

Rys. 4. Jednokanałowy przetwornik C/A w układzie pętli prądowej 4-20mA

Wykorzystanie przetworników z wyjściem bipolarnym wiąże się ze znacznym uproszczeniem całej struktury układu. Projekt jest wówczas mniej skomplikowany, ponieważ wymagane poziomy napięcia wyjściowego są bezpośrednio dostępne przy użyciu metod konfiguracji sprzętowej lub programowej. Dodatkowo przetworniki C/A o wyjściu bipolarnym mają standardowo zaimplementowane użyteczne funkcje, takie jak zabezpieczenia termiczne, ochrona przed zwarciem oraz kontrola napięcia w czasie załączania i wyłączania zasilania.

Podstawową wadą przetworników z wyjściem bipolarnym jest ich ograniczona elastyczność. Wynika ona z tego, że wzmacniacz wyjściowy jest zazwyczaj optymalizowany pod kątem określonego obciążenia i dopuszczalnego poziomu szumów. W związku z tym często trudno dopasować parametry układu przetwornika do wymagań danej aplikacji.

UKŁADY PRÓBKUJĄCO-PAMIĘTAJĄCE

Rys. 5. Schemat blokowy układu przetwornika C/A z wyjściem bipolarnym

W drugiej z powszechnie stosowanych architektur wykorzystywany jest układ próbkująco-pamiętający sample-and-hold. W porównaniu do rozwiązania z wydzielonym przetwornikiem dla każdego kanału, zaletą tego układu jest przede wszystkim możliwość optymalnego wykorzystania miejsca na płycie urządzenia oraz zmniejszenia kosztów. Używany jest tutaj pojedynczy przetwornik C/A, a prąd z jego wyjścia doprowadzany jest do wielu różnych kanałów przy użyciu analogowego demultipleksera oraz kondensatorów.

Zasadniczym elementem układów typu sample-and-hold jest właśnie kondensator pamiętający, od którego parametrów w głównej mierze zależy dokładność systemu. Kanały są cały czas odświeżane (następuje ładowanie kondensatora) w celu utrzymania na wyjściu pożądanego poziomu napięcia i zapewnienia wymaganej dokładności.

Podobnie jak w przypadku architektury z przetwornikiem C/A wydzielonym dla każdego kanału, także w układach próbkująco-pamiętających wykorzystać można przetworniki C/A typu LVSS oraz układy z wyjściem bipolarnym - wybór zależy od konkretnych wymagań projektowych. Aby uzyskać odpowiedni poziom napięcia do wysterowania obciążenia, za kondensatorem podtrzymującym umieszcza się często bufor, który dodatkowo pozwala na uzyskanie niskiej impedancji wyjściowej (rys. 6). Wzmacniacz wyjściowy jest wymagany do separacji wyjścia, przetworzenia sygnału do wymaganego poziomu oraz do konwersji napięcie-prąd w pętli prądowej 4‒20mA.

Rys. 6. Przetwornik C/A w układzie próbkująco-pamiętającym

Wymagania stawiane wzmacniaczom wykorzystywanym w wyjściach analogowych obejmują odpowiednie napięcie zasilania, niezbędne do zapewnienia wystarczającego (10V) zakresu napięć wyjściowych, niskie napięcie off setu i dużą szybkość narastania napięcia wyjściowego. Natomiast przy wyborze przełączników i multiplekserów, stosowanych w układach próbkująco-pamiętających wykorzystywanych w aplikacjach przemysłowych: kluczową rolę odgrywają takie parametry jak: niewielkie wartości wyjściowej reaktancji pojemnościowej oraz rezystancji w stanie załączenia w połączeniu z możliwością pracy przy wysokich napięciach.

Niska reaktancja pojemnościowa jest ważna w sytuacjach, gdy wymagane są małe zakłócenia (glitch) i krótki czas ustalania się sygnału. Mała wartość rezystancji w stanie załączenia klucza i płaska charakterystyka zmian tej rezystancji w całym zakresie napięć wejściowych stanowią zasadnicze parametry w aplikacjach wymagających minimalnych zniekształceń sygnału.

IZOLACJA GALWANICZNA

Ostatnią z ważnych kwestii jest ta dotycząca izolacji galwanicznej. Sygnały w postaci cyfrowej przesyłane są z centralnego sterownika do przetwornika C/A, który generuje analogowy sygnał sterujący. Izolacja galwaniczna pomiędzy stroną cyfrową i analogową jest stosowana w celu zapewniania bezpiecznych poziomów napięć po stronie użytkownika. Najpowszechniej wykorzystywanym rozwiązaniem są tutaj optoizolatory.

Niska sprawność przetwarzania oraz długi czas reakcji fotodetektora powodują jednak, że decydując się na zastosowanie optoizolatorów, należy mieć świadomość ich zasadniczych ograniczeń. Dotyczy to zwłaszcza czasu życia, prędkości transmisji, poboru mocy oraz wrażliwości na zmiany temperatury. Dlatego izolatory optyczne są przeznaczone głównie do konfiguracji jedno- lub dwukanałowych, a w aplikacjach przemysłowych często stosuje się także transformatory oraz izolację pojemnościową.

Monika Jaworowska