Янв 20 2010

Пример схемотехнического решения гальванически изолированного токового выхода 4-20 мА

 Множество современных приборов и устройств автоматики имеют токовый выход стандарта 4-20 мА. В статье рассматривается простой, прецизионный, оптимизированный по стоимости узел гальванически изолированного токового выхода.

Устройство и принцип работы

Функциональная схема узла приведена на рис 1.

pic1

Рис.1. Функциональная схема узла токового выхода.

Основу узла токового выхода составляет микросхема AD5620-1, представляющая собой цифро-аналоговый преобразователь с разрядностью 12 и встроенным источником опорного напряжения 1,25В, что обеспечивает диапазон выходных напряжений 0-2,5В. Источник опорного напряжения имеет высочайшее значение температурной стабильности 5ppm/С [1].

Данный ЦАП производства фирмы Analog Devices имеет 14-и и 16-и разрядные аналоги, соответственно AD5640 и AD5660. Также имеются модификации этих микросхем с индексом 2, (то есть, например AD5620-2), имеющие напряжение встроенного источника опорного напряжения 2,5В, и диапазон выходных напряжений 0-5В.

Микросхема выпускается в корпусах SOT23-8 и MSOP и занимает на плате площадь 9 мм2 и 15 мм2 соответственно.

Гальваническая развязка обеспечивается микросхемой ADUM1300 [2] и DC/DC преобразователем, например Aimtech AM1D-2415SZ [3]. Также в схеме используется дополнительный стабилизатор напряжения 5В, например, широко распространенный 78L05, обозначенный на рис. 1 как LDO (Low DropOut regulator).

Интерфейс подключения к микроконтроллеру – трехпроводный, включающий в себя сигналы ~SYNC – начало передачи данных, SCLK – тактовые импульсы и D_IN — данные. Подробное описание интерфейса приведено в фирменном описании микросхемы [1].

Работа узла понятна из рис. 1. Внутри микросхемы ЦАП имеется операционный усилитель с rail-to-rail выходом (рис. 2), в данной схеме его цепь обратной связи обеспечивает коэффициент усиления 2, когда выводы Vfb и Vout замкнуты между собой.

pic2

Рис. 2 Структура ЦАП AD5620/ AD5640/ AD5660

При этом выходное напряжение ЦАП равно:

form1

 

; (1)

 

где Vref – напряжение опорного источника, встроенного в ЦАП,

D – значение кода, загруженного в регистр ЦАП,

N – разрядность ЦАП.
В схеме, показанной на рис. 1 напряжение на стоке транзистора равно

form2

 

 ;(2)

 

а, принимая R3 >> R4, выходной ток равен

form3

 

;(3)

 

Записав (1-3) совместно, получаем (4)
form4

 

 ;(4)

 

 

Приняв R1 = R3, получаем
form5

;(5)

 

 

 

В (5) значение кода участвует с с обратным знаком, то есть максимальный ток

form6

 

 

 

будет получен при коде 0, а нулевой выходной ток будет обеспечиваться при максимальном коде D = 2^N – 1 (если быть точным, значение тока будет не нулевым, а составит 1/(2^N) от максимального тока, но такой ничтожной величиной можно пренебречь).

Пусть мы выбрали микросхему AD5620-1, имеющую разрядность N=12 и Vref=1,25В.

Тогда для достижения максимального тока I=20e-3A значение R4 = 2*1,25В/20e-3A = 125Ом. Значения R1 и R3 должны быть >>R4, для того, чтобы не оказывать влияния на выходной ток, их можно выбрать в пределах 20-100кОм.

При применении микросхем с индексом 2 (например, AD5620-2), которые имеют Vref=2,5В значение R4 должно быть равно 250Ом.

Так как значение тока зависи
т от значений резисторов R1, R3, R4, они должны быть прецизионными, с точностью не хуже 0,1%, например, отечественные C2-29.

Некоторые рекомендации по обеспечению устойчивости работы схем на операционных усилителях приведены в [4].

Потребляемая мощность узла в основном определяется мощностью, потребляемой непосредственно токовым выходом и выходным транзистором, т.е. 15В х 20мА = 300мВт. Потребление остальных компонентов схемы ничтожно мало по сравнению с этим значением и составляет не более 5 мА. Это означает, что для питания узла можно использовать DC-DC преобразователь мощностью 500мВт, например, AM1/2L-0515S-N, либо использовать DC-DC преобразователь мощностью 1 Вт, имеющий два раздельных гальванически изолированных выхода, например, AM1D-241515D для питания двух подобных узлов.

Результаты испытаний
Были проведены испытания четырех таких узлов. Результаты измерений по одному из каналов прибора приведены здесь.
Стоимость
Стоимость основных компонентов узла (в розничных ценах по прайс-листу компании Элтех на момент написания статьи) составляет 384,81 р.
Заключение
В статье рассмотрена схемотехника узла гальванически изолированного источника тока 4-20мА, управляемого микроконтроллером, приведено описание его работы и расчетные формулы. Приведены результаты испытаний реального устройства и приблизительная оценка его стоимости.

Полученные точностные характеристики далеко превосходят требования к точности подавляющего большинства приборов и устройств промышленной автоматики. Можно сделать вывод, что применение 14-и и 16-ибитной версии рассматриваемого ЦАП совершенно избыточно, из экономических соображений применение 12-битного ЦАП будет вполне достаточным.

Литература

1. Single, 12-/14-/16-Bit nanoDAC™ with 5 ppm/°C On-Chip Reference in SOT-23 AD5620/AD5640/AD5660. Analog Devices. www.analog.com
2. Triple-Channel Digital Isolators ADuM1300/ADuM1301. Analog Devices. www.analog.com
3. Precision Micropower Single-Supply Operational Amplifiers. OP777/OP727/OP747. Analog Devices. www.analog.com
4. Practical Techniques to Avoid Instability Due to Capacitive Loading. S. Bendaoud, G. Marino. //Analog Dialogue, 38, 2004

  • http://polprav.blogspot.com/2010/02/buypost.html Serg

    Здраствуйте. Хочу купить рекламу в Вашем блоге — 32bit.me

  • arktur04

    Здравствуйте, Serg.
    В этом блоге нет рекламы и она не продаётся.

  • Укроп

    Выводы статьи во многом увы ошибочны. Начну со схемы. В промышленной автоматизации устройства с гальванической развязкой и аналоговым выходом имеют активный выход «привязанный» к земле. Это позволяет заводить сигналы с таких однотипных устройств на платы аналогового ввода (или модули PLC) с общей землей.
    Т.е. схема аналогового выхода неверна по крайней мере применительно к промавтоматике. Да и сам выходной усилитель имеет несколько минусов. Лучше эту схему вообще не использовать.
    Теперь по требованиям к компонентам. ЦАП действительно лучше использовать 14-16 разрядный. Во первых часть диапазона кода будет съедаться диапазоном 0-4 мА. Во вторых разрядность будет возможно полезна при цифровой калибровке аналового выхода в целом.
    При реализации диапазона 0-20 мА требования к смещению нуля ЦАП становятся очень жесткими и подобрать недорогой ЦАП становится уже непросто.

  • arktur04

    1. Пожалуйста. Соединяете минусовую клемму выхода с землёй, и нет проблем. Если выходов несколько, соединяете их все.
    К тому же соединение одного цифрового устройства с другим через плату аналогового ввода представляется мне малоосмысленным занятием.

    2. > Т.е. схема аналогового выхода неверна по крайней мере применительно к промавтоматике.

    В чём неверна?

    3. >Да и сам выходной усилитель имеет несколько минусов. Лучше эту схему вообще не использовать.

    Неубедительно. На практике схема демонстрирует крайне высокую точность.

    4. Смещение нуля при необходимости подгоняется программно.

  • http://qlwlp.livejournal.com qewr

    Вот классическая схемка с заземленной нагрузкой: http://yfrog.com/jkscreenshotygkp
    Транзистор не нужен, большинство современных ОУ легко дадут 20мА по выходу.

  • arktur04

    @qewr
    1. Если вам показалось, что я прошу у кого-либо советов, то напрасно вам так показалось. (воспринимайте это как шутку)

    2. Если вам кажется, что я плохо знаю схемотехнику. то опять же напрасно. Приведённая схема известна всем. Кстати, она требует точного согласования 5 резисторов, в моей схеме используется всего 3 прецизионных резистора.

    3. Заземлённая нагрузка в данном случае необязательна, так как каждый канал аналогового выхода гальванически изолирован.

    4. При токе выхода 20 мА обеспечивается (большинством ОУ) плохая точность и температурная стабильность.

  • Виктор

    Скажите пожалуйста, а какой транзистор вы используете?

  • arktur04

    IRFL4310

  • http://ymn.livejournal.com ymn

    Добрый день! Давно хотел спросить, в какой программе вы рисуете функциональные схемы? очень уж красиво получается)

  • arktur04

    В Corel Draw.

  • Im

    Все ЦАПы с индексом -1 (AD5620-1, AD5640-1, AD5660-1) должны питаться напряжением 2.7-3.3В. У Вас получается 5В. Да, в datasheet указано, что в принципе микросхема функционирует до 5.5В… Но тогда, видимо, ее параметры могут не соответствовать указанным в том же datasheet.

  • arktur04

    Цитата из datasheet: «3 V/5 V single power supply».

  • arktur04

    Просто не рассуждайте о том, в чем не разбираетесь.

  • Im

    Комментарий удален.

  • arktur04

    У меня нет ни времени, ни желания вступать с вами в дискуссии.
    Просто давайте закроем тему. Вам здесь не рады.