Jak zbudowane są moduły wyjść analogowych?

PARAMETRY PRZETWORNIKÓW

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

Rozdzielczości przetworników wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych przyjmują typowo wartości z zakresu od 12 do 16 bitów przy dokładności rzędu 0,1%. Sygnały na wyjściu analogowym mają najczęściej następujące wartości: 5, 10, 0-10 V oraz 4-20 i 20 mA, przy czasie ustalania przetwornika C/A w zakresie od 5 µs do 100 ms w zależności od aplikacji.

Odpowiedni zakres sygnału wyjściowego jest związany z konkretnymi wymaganiami danej aplikacji. W związku z tym 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.

SPOSOBY IZOLACJI

Rys. 2. Schemat układu wyjść analogowych z wielokanałowym przetwornikiem C/A

Sygnały w postaci cyfrowej są przesyłane z centralnego sterownika do przetwornika C/A, zapewniającego 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 optoizolatory.

W aplikacjach przemysłowych stosuje się także transformatory oraz izolację pojemnościową. Zasadniczym elementem optoizolatorów jest dioda świecąca. Przekształca ona sygnał elektryczny w światło, które w fotodetektorze po stronie odbiorczej jest przetwarzane na sygnał elektryczny. Optoizolatory cechują się stosunkowo długim czasem reakcji fotodetektora i wrażliwością na zmiany temperatury.

W związku z tym wersje optyczne są przeznaczone głównie do konfiguracji jedno- lub dwukanałowych. Alternatywą dla optoizolatorów może okazać się technologia taka jak iCoupler firmy Analog Device. Izolatory produkowane w tej technologii to układy scalone bazujące na sprzężeniu transformatorowym.

Przetworniki C/A zazwyczaj mają 3- lub 4-żyłowe interfejsy szeregowe, co pozwala zredukować liczbę niezbędnych układów optoizolatorów. Niektóre systemy wymagają także pełnej izolacji po stronie analogowej. Powoduje to konieczność zastosowania jednokanałowych przetworników w celu zwiększenia izolacji między kanałami.

ARCHITEKTURY Z C/A

Rys. 3. Jednokanałowy przetwornik C/A w układzie pętli prądowej 4-20 mA

W układach wyjść analogowych sterujących urządzeniami automatyki przemysłowej wykorzystywane są dwie typowe konfiguracje. Pierwszym rozwiązaniem jest obejmująca wydzielone przetworniki C/A dla każdego kanału. Przetwornik C/A może być jednokanałowy lub wielokanałowy w przypadku, gdy jest niezbędna większa liczba kanałów, ale izolacja między nimi nie jest wymagana.

Architekturę tego typu przedstawiono na rysunku 2. W aplikacji tej można zastosować przetwornik LVSS (Low Voltage Single Supply) o zakresie napięcia wyjściowego od 0 do UREF, które może być w układzie kondycjonowania przetworzone w sygnał bipolarny napięciowy lub prądowy 4-20 mA. Istnieje także możliwość wykorzystania przetwornika z wyjściem bipolarnym.

W systemach wymagających dodatkowej izolacji międzykanałowej konieczne jest zastosowanie jednokanałowych przetworników A/C. Na rysunku 3 pokazano przykład zastosowania przetwornika tego typu wraz ze wzmacniaczem operacyjnym i źródłem napięcia w pętli prądowej 4-20 mA.

WADY I ZALETY

Rys. 4. Schemat blokowy układu przetwornika C/A z wyjściem bipolarnym

Wymienione rozwiązania charakteryzują się różnymi wadami i zaletami. Przykład mogą stanowić przetworniki C/A zapewniające bipolarną zmianę napięcia wyjściowego. Na rysunku 4 został zamieszczony schemat blokowy przedstawiający główne komponenty układu przetwornika C/A tego typu. Podstawowe elementy obejmują precyzyjny przetwornik C/A, źródło napięcia, regulację offsetu 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. Wykorzystanie przetworników z wyjściem bipolarnym wiąże się ze znacznym uproszczeniem całej struktury.

Projekt jest wówczas mniej skomplikowany, ponieważ wymagane poziomy napięcia wyjściowego są bezpośrednio dostępne przy użyciu metod sprzętowej lub programowej konfiguracji. 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

W drugiej z powszechnie stosowanych architektur jest wykorzystywany układ próbkująco-pamiętający sample-and-hold. W porównaniu z architekturą z wydzielonym przetwornikiem dla każdego kanału zaletą tego rozwiązania jest przede wszystkim możliwość optymalnego wykorzystania miejsca na płycie urządzenia oraz zmniejszenie kosztów.

W tym przypadku używany jest pojedynczy przetwornik C/A. Napięcie wyjściowe z przetwornika jest doprowadzane do wielu różnych kanałów przy użyciu analogowego demultipleksera oraz kondensatora. 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, 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-pamietających wykorzystać można zarówno przetworniki C/A typu LVSS, jak i układ przetwornika z wyjściem bipolarnym.

Rys. 5. Przetwornik C/A w układzie próbkująco-pamiętającym

Wybór zależy od konkretnych wymagań. Aby uzyskać odpowiedni poziom napięcia do wysterowania obciążenia, za kondensatorem podtrzymującym umieszcza się bufor, który dodatkowo pozwala na uzyskanie niskiej impedancji wyjściowej (rys. 5). Wzmacniacz wyjściowy jest wymagany do separacji wyjścia, przetworzenia sygnału do wymaganego poziomu oraz do konwersji napięcie-prąd, w pętlach prądowych 4-20 mA.

Wymagania stawiane wzmacniaczom wykorzystywanym w wyjściach analogowych obejmują odpowiednie napięcie zasilania, niezbędne do zapewnienia wystarczającego (10 V) zakresu napięć wyjściowych, niskie napięcie offsetu i dużą szybkość narastania napięcia wyjściowego.

KLUCZOWE PARAMETRY

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. 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. Ze spełnieniem tych wymagań wiążą się jednak pewne problemy konstrukcyjne, które dodatkowo pociągają za sobą pogorszenie innych parametrów.

Monika Jaworowska