Все для работы с токовой петлей от Maxim Integrated

2 сентября 2013

Интерфейс передачи информации «токовая петля» основан на изменении силы электрического тока, протекающего в цепи, связывающей приемник и передатчик. Его история своими корнями уходит в пятидесятые годы. Первоначально в нем использовался ток до 60 мА, но довольно быстро ток понизили до 20 мА.

Несмотря на появление большого количества новых интерфейсов, старая добрая токовая петля и по сей день активно применяется в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах.

В данной статье мы остановимся на реализации интерфейса токовой петли на элементной базе компании Maxim Integrated — общепризнанного лидера в производстве интегральных схем для работы с аналоговыми и цифровыми сигналами.

 

Аналоговая токовая петля

По виду передаваемой информации токовая петля делится на аналоговую и цифровую. В цифровой токовой петле уровнем тока передается всего два состояния — логический ноль либо логическая единица. Аналоговая токовая петля гораздо интереснее в этом плане — уровнем тока транслируется весь диапазон значений передаваемой величины, поэтому построение такой петли гораздо сложнее и требует больше времени. В данной статье мы рассмотрим основные аспекты реализации интерфейса аналоговой токовой петли на примере конкретных схемотехнических решений.

Как уже упоминалось, в токовой петле для передачи данных используется ток, а не напряжение. Это и является основным преимуществом данного интерфейса, поскольку ток, вытекающий из источника тока, проходя по длинным кабельным линиям, практически не изменяет свое значение. Потерями тока из-за утечек кабеля можно пренебречь. К тому же, токовая петля довольно устойчива к помехам. Эти обстоятельства позволяют связывать два устройства по токовой петле на расстоянии нескольких километров. Немаловажным плюсом является использование всего двух проводов, по которым, кроме передачи данных, можно еще и запитывать устройства.

Как и в большинстве интерфейсов, в токовой петле можно выделить три составляющие: передатчик, приемник и защиту линии (рисунок 1).

 

Схема реализации токовой петли

 

Рис. 1. Схема реализации токовой петли

Передатчик осуществляет преобразование данных, полученных от датчика (в цифровой или аналоговой форме), в соответствующий им ток 0 (4)…20 мА для его дальнейшей передачи по линии связи. Приемник, соответственно, осуществляет обратное преобразование.

Вариантов реализации данных задач довольно много и конкретное решение зависит от типа датчика, требований точности, параметров линии передачи и конечной стоимости решения.

Для защиты передатчика от нештатных ситуаций можно включить в линию передачи схему защиты.

Рассмотрим конкретные варианты реализации токовой петли на элементной базе Maxim.

 

Передача сигнала токовой петли

Начнем с построения передатчиков. Рассмотрим несколько схемотехнических решений для передачи сигнала токовой петли.

 

ЦАП с токовым выходом MAX5661

Одним из несложных решений для построения передатчика токовой петли является использование однокристального 16-разрядного цифроаналогового преобразователя с токовым выходом MAX5661, программируемого по интерфейсу SPI.

Микросхема MAX5661 предоставляет разработчику все необходимые инструменты для разработки приложений, работающих с токовыми и потенциальными выходными сигналами.

Выходные усилители обеспечивают выходное напряжение в стандартном промышленном диапазоне ±10 В или выходной ток 0 (4)…20 мА. Потенциальный выход (OUTV) рассчитан на резистивную нагрузку более 2 кОм и емкостную — до 1,2 мкФ.

Токовый выход (OUTI) при работе на резистивную нагрузку выдает напряжение до 37,5 В, а также работает на индуктивную нагрузку до 1 Гн. При работе микросхемы активным может быть только один выход.

MAX5661 выпускается в 64-выводном корпусе LQFP с габаритными размерами 10х10 мм и работает в расширенном температурном диапазоне -40…105°C.

Для подключения преобразователя к микроконтроллеру используется 4-проводной SPI-совместимый последовательный интерфейс. MAX5661 выступает в качестве ведомого и поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с.

При классическом подключении по SPI-шине нескольких устройств сигналы ввода данных (DIN), вывода данных (DOUT) и тактирующие сигналы (SCLK) подключаются параллельно, а обращение к конкретной микросхеме задается линией выбора чипа (CS). Такая схема построения достаточно легко реализуема, когда количество ведомых устройств в системе не очень велико.

Микросхема MAX5661 позволяет реализовать, в дополнение к классическому подходу соединения, альтернативный метод последовательного подключения (Daisy chain). При последовательном подключении запараллеливаются сигналы SCLK и CS, а DIN проходит через микросхему и с выхода (DOUT) поступает на вход следующей. Это позволяет снизить количество линий CS и DIN, экономя место на плате и ресурсы управляющего микроконтроллера.

На рисунке 2 представлена стандартная схема включения MAX5661.

 

Типовая схема включения MAX5661

 

Рис. 2. Типовая схема включения MAX5661

 

Формирователи токового выхода MAX15500/15501

Другим простым решением для построения передатчика токовой петли является использование формирователя аналоговых выходных сигналов с токовым выходом MAX15500/15501.

Микросхемы обеспечивают программируемый выходной ток до ±24 мА и напряжение до ±12 В, пропорциональное управляющему сигналу. В качестве такого сигнала выступает напряжение, которое обычно подается с внешнего ЦАП в диапазоне 0…4,096 В для MAX15500 и в диапазоне 0…2,5 В для MAX15501. Выходные сигналы тока и напряжения могут быть как биполярными, так и униполярными.

Выходы MAX15500/MAX15501 имеют защиту от перегрузки по току и короткого замыкания в нагрузке, а также схему защиты по цепям питания до ±35 В. Чип имеет встроенные мониторы температуры и питания для защиты от перегрева и провалов напряжения с программируемым предельным значением напряжения источника питания.

Для задания режимов работы микросхем имеется SPI-интерфейс с поддержкой последовательного включения. В дополнение к SPI у микросхем имеется один выход с открытым коллектором для передачи сигнала прерывания.

MAX15500/MAX15501 работают в расширенном температурном диапазоне -40…105°С и выпускаются в 32-контактном корпусе TQFN размером 5х5 мм.

На рисунке 3 представлена стандартная схема включения MAX15500/15501.

 

Типовая схема включения MAX15500/15501

 

Рис. 3. Типовая схема включения MAX15500/15501

 

Операционные усилители
в качестве формирователя токового выхода

И последним рассмотренным способом построения передатчика токовой петли является использование операционных усилителей. Данный вариант является самым трудоемким, но дает достаточно гибкие решения, ограниченные только фантазией разработчика.

За основу возьмем операционный усилитель MAX9943.

MAX9943 представляет собой высоковольтный операционный усилитель, обеспечивающий высокую точность, низкий уровень температурного дрейфа и низкое потребление энергии. Усилитель работает от однополярного источника питания номиналом 6…38 В или двухполярного источника питания номиналом ±3…±19 В. MAX9943 идеально подходит для применения в системах формирования сигналов датчиков, высокопроизводительных промышленных измерительных системах и системах с питанием от контура (передатчики с током 4…20 мА).

Усилитель выпускается в 6-выводном компактном корпусе TDFN или 8-выводном корпусе mMAX и рассчитан на работу в расширенном температурном диапазоне -40…125°C.

На рисунке 4 представлена стандартная схема реализации преобразователя напряжения в ток с использованием операционного усилителя MAX9943.

 

Преобразователь напряжения в ток на основе MAX9943

 

Рис. 4. Преобразователь напряжения в ток на основе MAX9943

Связь между входным напряжением и током нагрузки описывается выражением:

 

VIN = (R2/R1) x RSENSE x ILOAD + VREF.

 

Сопротивление нагрузки RLOAD может достигать нескольких кОм. Номинал резистора RSENSE выбирается небольшим — несколько десятков Ом.

Подробное описание данного решения с расчетами и графиками можно найти в «APPLICATION NOTE 4394» на сайте Maxim.

 

Ограничитель тока MAX14626 для защиты токовой петли

Для защиты токовой петли 4…20 мА от нештатных ситуаций компания Махim предлагает специализированную микросхему защиты MAX14626 (рисунок 5). В основе чипа лежит токоограничивающий ключ, имеющий сопротивление в открытом состоянии 25 Ом и работающий в диапазоне входных напряжений 2,3…36 В.

 

MAX14626

 

Рис. 5. MAX14626

Ограничение по току составляет 30 мА, что делает MAX14626 идеальной для применения в качестве защиты модулей ввода аналоговых сигналов с датчиков. Определение перегрузки по току происходит в непрерывном режиме.

К дополнительным защитным функциям микросхемы относятся отключение при перегреве и блокировка обратного включения для защиты от неправильного включения.

MAX14626 доступна в миниатюрном TDFN-корпусе с шестью выводами размером 3×3 мм и рассчитана на работу в промышленном температурном диапазоне -40…85°C.

 

Прием сигнала токовой петли

Теперь пора рассмотреть несколько схемотехнических решений для приема сигнала аналоговой токовой петли.

 

Токоизмерительные усилители MAX9611 и MAX9612

MAX9611 и MAX9612 — это высоковольтные токоизмерительные усилители со встроенным блоком усиления, которые могут быть использованы в режиме операционного усилителя или компаратора с возможностью дальнейшей оцифровки аналогового сигнала на 12-разрядном АЦП.

Широкий диапазон входных напряжений 0…60 В более чем достаточен для работы с токовой петлей, а программируемый размах измеряемого дифференциального напряжения (440, 110 и 55 мВ) позволяют достичь достаточно точного измерения входного тока путем подбора необходимого шунтового резистора.

Преобразованный в напряжение ток оцифровывается встроенным 12-разрядным АЦП, управляемым по I2C-интерфейсу. Скорость преобразования составляет до 500 выб/сек.

Весьма интересна адресация к микросхеме: адресных битов всего два, но они позволяют подключать до 16 чипов на одной шине. Весь секрет кроется в том, что на адресные входы подаются не только напряжения питания и ноль, но еще 1/3 и 2/3 от уровня питания.

Шина I2C совместима с логическими уровнями 1,8 В и 3,3 В, что позволяет подключать микросхему к большинству современных микроконтроллеров.

Для питания потребуется источник с выходным напряжением 2,7…5,5 В.

Встроенный температурный сенсор позволяет измерять температуру кристалла во всем рабочем диапазоне с точностью до 0,48°C.

Микросхемы рассчитаны на работу в расширенном температурном диапазоне -40…125°C и выпускаются в небольшом 10-выводном mMAX®-корпусе размером 3х5 мм.

Отличие MAX9611 от MAX9612 — в том, что первая включается по неинвертирующей схеме, а вторая — по инвертирующей.

Доступны отладочные средства — MAX9611EVKIT.

Типичная схема включения представлена на рисунке 6.

 

Типовая схема включения MAX9611/ MAX9612

 

Рис. 6. Типовая схема включения MAX9611/ MAX9612

 

Токоизмерительный усилитель MAX9938

MAX9938 — прецизионный усилитель со встроенным блоком усиления, предназначенный для контроля тока. В отличие от MAX9611/ MAX9612, он не содержит встроенного АЦП, а имеет потенциальный выход, поэтому потребуется дополнительное АЦП. С одной стороны, это увеличивает количество элементов и конечную стоимость решения, а с другой — дает возможность разработчику выбрать необходимый ему преобразователь.

Усилитель имеет небольшое входное напряжение смещения, составляющее не более 500 мкВ, а разброс коэффициента передачи лежит в пределах 0,5%.

Собственное потребление очень мало и составляет порядка 1 мкА.

Усилитель рассчитан на работу с синфазными напряжениями на входах в пределах 1,6…28 В.

Выпускается три версии усилителя с различным коэффициентом передачи: 25 В/В (MAX9938T), 50 В/В (MAX9938F) и 100 В/В (MAX9938H). Возможность выбора коэффициента передачи дает определенную свободу в выборе внешнего токоизмерительного резистора.

MAX9938 выпускается в крошечном корпусе UCSP с размерами 1×1 мм, либо в 5-выводном корпусе SOT23, и рассчитан на работу в пределах температурного диапазона -40…85°C.

Типичная схема включения представлена на рисунке 7.

 

Типовая схема включения MAX9938

 

Рис. 7. Типовая схема включения MAX9938

 

Дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь MAX11205

MAX11205 — это 16-разрядный одноканальный дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь с ультранизким энергопотреблением (максимальный ток в активном режиме <300 мкА) и последовательным выходом.

Микросхема обеспечивает самое высокое соотношение разрядности к потребляемой мощности и оптимизирована для построения решений, требующих сочетания широкого динамического диапазона и низкого энергопотребления.

АЦП содержит встроенный высокоточный тактовый генератор, который не требует подключения дополнительных внешних элементов.

MAX11205 обеспечивает связь по простому двухпроводному последовательному интерфейсу и выпускается в небольшом 10-выводном корпусе mMAX. Диапазон рабочих температур составляет -40…85°C.

На рисунке 8 представлена схема построения гальванически изолированного прецизионного измерителя сигнала токовой петли на основе MAX11205 [1].

 

Гальванически изолированный прецизионный измеритель сигнала токовой петли

 

Рис. 8. Гальванически изолированный прецизионный измеритель сигнала токовой петли

В качестве токового шунта используется прецизионный резистор R1, напряжение с которого оцифровывается на MAX11205. Для гальванической развязки линии данных и напряжения питания используется микросхема MAX3535E, а для стабилизации изолированного напряжения питания и генерации опорного напряжения — MAX6033A30.

 

Операционные усилители в качестве токового входа

Так же, как и в случае передатчиков токовой петли, построение приемников токовой петли на основе операционных усилителей является самым трудоемким, но максимально гибким.

За основу схемы возьмем операционный усилитель MAX44250.

MAX44250 — одноканальный прецизионный малошумящий операционный усилитель c широким диапазоном питающих напряжений. Отличительными особенностями данного семейства являются низкие значения входного шума (5,9 нВ/√Гц), напряжения смещения (6 мкВ) и температурного дрейфа 19 нВ/°C (макс).

Такие высокие метрологические характеристики делают этот усилитель идеальным для применения в измерительных трактах.

MAX44250 работает в диапазоне температур -40…125°C и выпускается в 5-пиновом SOT23 или 8-пиновом mMAX.

На рисунке 9 представлена стандартная схема реализации преобразователя тока в напряжение с использованием операционного усилителя MAX44250.

 

Преобразователь тока в напряжение на основе MAX44250

 

Рис. 9. Преобразователь тока в напряжение на основе MAX44250

Связь между входным током ILOAD и напряжением на выходе VOUT описывается следующим выражением:

 

VOUT = (ILOAD x RSENSE) x (1 + R2/R1).

 

Сопротивление RSENSE выступает в качестве токового шунта и, благодаря изменяемому с помощью резисторов R2/R1 коэффициенту усиления, его можно менять в достаточно большом диапазоне. При необходимости его можно уменьшать до нескольких Ом.

Выход операционного усилителя подключается, как правило, к АЦП.

 

HART-протокол

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных на основе аналоговой токовой петли.

При его создании преследовалась цель сделать его совместимым с существующим аналоговым интерфейсом токовой петли, но добавить возможность передачи данных в цифровой форме. Исходя из этого, токовая петля была доработана таким образом, что получила возможность полудуплексного обмена данными. Для этого на несущий аналоговый сигнал накладывается цифровой (рисунок 10), и полученный модулированный сигнал передается по линии связи. Логическая единица цифровых данных кодируется синусом с частотой 1200 Гц, а ноль — 2200 Гц.

HART-протокол

Рис. 10. HART-протокол

Из-за сильного различия частот аналогового (0…10 Гц) и цифрового (1200/2200 Гц) сигналов они довольно просто разделяются фильтрами приемника и проходят независимую обработку.

 

HART-модем DS8500

Для реализации HART протокола компания Maxim предлагает однокристальное решение — модем DS8500.

Чип содержит встроенные модулятор и демодулятор сигнала 1200/2200 Гц, имеет очень низкое энергопотребление и, благодаря интегрированной цифровой сигнальной обработке, требует незначительной внешней обвязки. Входной сигнал проходит семплирование на АЦП и поступает на цифровой фильтр/демодулятор. Такая конструкция модема позволяет уверенно обнаруживать сигнал даже в зашумленной среде. Выходной ЦАП генерирует синусоидальное напряжение и сохраняет сдвиг фаз при переключении частот 1200 и 2200 Гц. Низкое энергопотребление достигается за счет отключения схем приемника во время передачи сигнала и наоборот (при приеме не работает передатчик). Все это делает DS8500 идеальным решением для создания малопотребляющих передатчиков систем управления технологическими процессами.

Микросхема выпускается в миниатюрном 20-выводном корпусе TQFN 5х5х0,8 мм и рассчитана на работу в индустриальном температурном диапазоне -40…85°C.

На рисунке 11 представлена типовая схема применения DS8500.

 

Типовая схема включения DS8500

 

Рис. 11. Типовая схема включения DS8500

Поскольку в чип интегрирован цифровой фильтр, то снаружи необходим только простой пассивный RC-фильтр. На резисторе R3 и конденсаторе С3 реализован фильтр нижних частот с частотой среза 10 кГц. С2 и R2/R1 образуют фильтр верхних частот с частотой среза 480 Гц. Резисторный делитель, образованный R1 и R2, обеспечивает смещение входного напряжения Vref/2 (R1 = R2) на входе АЦП. Конденсатор С4 обеспечивает развязку синусоидального сигнала с выхода ЦАП DS8500 и аналоговой токовой петли. Емкость С4 обычно выбирается не менее 20 нФ.

 

Средства отладки

Компания Maxim предлагает несколько аналоговых модулей для изучения токовой петли.

 

Cupertino (MAXREFDES5#)

MAXREFDES5# (рисунок 12) — это универсальный аналоговый модуль компании Maxim для работы с аналоговыми сигналами в диапазоне ±10 В и токовой петлей 4…20 мА. Плата имеет гальванически изолированную систему питания и обеспечивает гальваническую развязку сигналов данных.

 

Cupertino (MAXREFDES5#)

 

Рис. 12. Cupertino (MAXREFDES5#)

В основе Cupertino лежит малопотребляющий 16-разрядный АЦП последовательного приближения MAX1301, осуществляющий преобразование аналоговых сигналов и передачу полученных результатов по SPI-шине. Для буферизации аналоговых сигналов установлены операционные усилители MAX9632. Гальваническая развязка обеспечивается цифровым изолятором MAX14850 и драйвером трансформатора MAX256.

Cupertino выполнен в виде отдельного модуля, что позволяет использовать его в микропроцессорных системах собственной разработки как готовое устройство.

Для оценки возможностей можно использовать отладочные платы Nexys 3 или ZedBoardTM, выполненные на основе довольно мощных ПЛИС. MAXREFDES5# подключается к этим платам в качестве дополнительного модуля.

 

Campbell (MAXREFDES4#)

MAXREFDES4# (рисунок 13) — это законченное решение для работы с аналоговыми сигналами в диапазоне 0,2…4,096 В или токовой петлей 4…20 мА. Плата обеспечивает гальваническую изоляцию питания и сигналов данных.

 

Campbell (MAXREFDES4#)

 

Рис. 13. Campbell (MAXREFDES4#)

В основе Campbell лежат высокоточный 16-разрядный АЦП MAX11100 и прецизионный малошумящий операционный усилитель MAX44250. Решение выполнено в виде отдельного модуля, что позволяет использовать его самостоятельно в своих разработках.

Для знакомства также подойдут отладочные платы Nexys 3 или ZedBoard.

 

Заключение

Компания Maxim имеет в своем арсенале все необходимое для организации передачи информации по токовой петле. Выбор операционных усилителей, ЦАП и АЦП поистине колоссален и может удовлетворить практически любые требования разработчиков. Имея в своем распоряжении такую элементную базу, можно создать как самое простое и недорогое решение, так и сложный многофункциональный комплекс с уникальными возможностями.

Все изложенные в данной статье схемотехнические решения не следует воспринимать как догму. Аналоговая электроника очень сложна и не имеет универсальных решений. Набор элементов всегда уникален для каждого конкретного случая.

 

Литература

1. Андрусевич А. «Сигма-дельта АЦП компании MAXIM», Электронные компоненты №12, 2010.

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

 

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее