Двухпроводной передатчик токовой петли 4-20 мА. Вариант схемы с учетом требований ЭМС

21 марта

ответственные применениялабораторные приборыTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Интерфейс токовая петля 4-20 мА – один из самых старых, и в то же время самых надежных и помехоустойчивых стандартов передачи информации на большие расстояния. Основным его применением являются промышленные системы автоматики. В статье подробно рассматривается предлагаемое компанией Texas Instruments типовое решение двухпроводного формирователя выходного сигнала данного интерфейса с питанием от самой петли и защитой от электромагнитных помех.

Двухпроводной (питающийся от токовой петли) формирователь выходного сигнала способен с установленной точностью поддерживать ток петли в диапазоне 4…20 мА (рисунок 1). Описанная конструкция также включает схемные решения для защиты от помех, согласно IEC61000-4 (в России действует ГОСТ Р 51317.4), а также мостовой выпрямитель, обеспечивающий функциональную независимость устройства от полярности питающего напряжения.

Рис. 1. Пример реализации двухпроводного передатчика токовой петли 4-20 мА

Рис. 1. Пример реализации двухпроводного передатчика токовой петли 4-20 мА

Технические характеристики

Конструкция передатчика должна соответствовать следующим требованиям:

  • напряжение питания ≤36 В;
  • вход трехпроводной SPI;
  • выход 4…20 мА с максимальной допустимой полной погрешностью без регулировки (TUE) 0,5% длины шкалы;
  • выходное напряжения передатчика токовой петли до 12 В;
  • обеспечение успешного прохождения испытаний на ЭМС согласно IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4) с минимальным влиянием на точность системы.

В таблице 1 представлены значения, рассчитанные по результатам моделирования, а также измеренные значения параметров, указанных в технических характеристиках. На рисунке 2 показаны измеренные передаточные функции и погрешности шести образцов.

Рис. 2. Зависимость полной погрешности передатчика от входного кода

Рис. 2. Зависимость полной погрешности передатчика от входного кода

Таблица 1. Технические характеристики передатчика

Характеристика Максимальное допустимое значение Результат расчета Измеренное значение
Полная погрешность выходного тока, % 0,5 0,495 0,142
Выходное напряжение, В 12 Нет данных 7,5
Соответствие помехоустойчивости стандарту IEC61000-4 Успешно Нет данных Успешно

Принцип действия

Преобразователь напряжения в ток

Упрощенная форма преобразователя напряжения в ток показана на рисунке 2. Такую конструкцию обычно называют двухпроводным передатчиком токовой петли 4-20 мА с питанием от самой токовой петли. Передатчик имеет только две клеммы: для подключения питания и для подключения выходного соединения. Он работает в режиме ведомого и поддерживает связь с ведущим узлом, – модулем аналоговых входов ПЛК, – путем точного управления величиной своего выходного тока. В соответствии с требованиями стандартов связи типа токовая петля 4-20 мА суммарная токовая нагрузка, потребляемая передатчиком, не должна превышать 4 мА.

Наличие отрицательной обратной связи операционного усилителя U1 способствует поддержанию уровней напряжения на инвертирующем (V) и неинвертирующем (V+) входах операционного усилителя на одинаковом уровне. В схеме передатчика инвертирующий вход (V) операционного усилителя напрямую подключен к локальной земле, следовательно, потенциал на неинвертирующем (V+) входе также близок к потенциалу локальной земли. Это означает, что разность потенциалов на резисторе R2 соответствует выходному напряжению ЦАП (VOUT), а разность потенциалов на резисторе R5 равняется опорному напряжению (VREF). По резисторам R2 и R5 протекают токи, показанные на рисунке 3. В соответствии с первым правилом Кирхгофа, по резистору R3 протекает ток i1, который можно рассчитать по формуле 1:

$$i_{1}=\frac{V_{DAC}}{R_{2}}+\frac{V_{REF}}{R_{5}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для того чтобы напряжения на входах операционного усилителя были равны друг другу, необходимо, чтобы ток i2, протекающий по резистору R4, создавал на нем такое же падение напряжения, что и ток i1 создает на резисторе R3. Ток покоя iq компонентов схемы (регулятора, усилителя, ЦАП и других) составляет некоторую часть тока i2. Затем операционный усилитель воздействует на базу биполярного транзистора с n-p-n-переходом Q1 для создания недостающего тока iloop, необходимого для того чтобы привести падение напряжения на резисторах R3 и R4 к одному уровню.

Рис. 3. Упрощенная схема преобразователя напряжения в ток

Рис. 3. Упрощенная схема преобразователя напряжения в ток

Так как падения напряжений на резисторах R3 и R4 равны, то изменение значений сопротивления этих резисторов приведет к изменению токов, протекающих по каждому из них. Как следствие, появляется возможность увеличения тока, протекающего через резистор R4, за счет управления соотношением сопротивлений резисторов R3 и R4, согласно формуле 2:

$$V_{+}=i_{1}\times R_{3};\\V_{-}=i_{2}\times R_{4};\\V_{+}=V_{-};\\i_{2}=\frac{i_{1}\times R_{3}}{R_{4}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Положительный эффект от увеличения тока через резистор R4 заключается в том, что большая часть выходного тока формируется непосредственно из петли через транзистор Q1, а не через элементы входного каскада. Все это, а также использование компонентов с малым энергопотреблением обеспечивает низкое потребление тока. Токи i1 и i2 складываются и формируют выходной ток iout, как описано в формуле 3:

$$i_{OUT}=i_{1}+i_{2}=\frac{V_{DAC}}{R_{2}}+\frac{V_{REF}}{R_{5}}+\frac{R_{3}}{R_{4}}\times \left(\frac{V_{DAC}}{R_{2}}+\frac{V_{REF}}{R_{5}} \right)\\i_{OUT}=\left(\frac{V_{DAC}}{R_{2}}+\frac{V_{REF}}{R_{5}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Полная передаточная функция, где в роли переменной выступает входной код ЦАП, описывается формулой 4:

$$i_{OUT}(CODE)=\left(\frac{V_{DAC}\times CODE}{2^N\times R_{2}}+\frac{V_{REF}}{R_{5}} \right)\times \left(1+\frac{R_{3}}{R_{4}} \right),\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

где N – разрядность ЦАП.

Резистор R6 служит для уменьшения коэффициента усиления транзистора Q1 и, следовательно, уменьшения коэффициента петлевого усиления преобразователя напряжения в ток, что способствует получению схемы с более стабильными параметрами. Сопротивление резисторов R2, R3, R4 и R5 выбирается в соответствии с диапазоном выходных напряжений ЦАП, напряжением регулятора и требуемого диапазона выходных токов.

Регулятор напряжения

Конструкция передатчика предусматривает наличие регулятора напряжения для понижения напряжения питания, – обычно 24 В, – до уровня, соответствующего напряжению питания точных аналоговых компонентов. В качестве регулятора напряжения могут использоваться линейные регуляторы с малым падением напряжения, DC/DC-преобразователи или шунтирующие регуляторы.

Диодный мост

Промышленная среда может быть очень опасной для чувствительных электронных компонентов. Существуют схемотехнические решения, которые позволяют защитить оборудование от возможных поломок, вызванных неправильным подключением внешних источников, а также избежать губительного влияния опасных электромагнитных возмущений, спровоцированных работой находящегося рядом оборудования. Использование некоторых из таких решений позволяет значительно повысить надежность электронных систем. На рисунке 4 показано одно из таких решений, применяемое для нашего передатчика.

Рис. 4. Диодный мост и защитные элементы

Рис. 4. Диодный мост и защитные элементы

Защита от подключения напряжения питания обратной полярности обеспечивается включением в схему диодного моста. Два диода расположены таким образом, что их катоды соединены со входом напряжения положительной полярности передатчика, а аноды – с каждой из двух клемм для внешнего подключения. Соответственно, другие два диода расположены таким образом, что их аноды подключены к выходу передатчика, а катоды – к каждой из клемм для внешнего подключения. Такое решение позволяет передатчику сохранять работоспособность при любой полярности питающего напряжения, тем самым защищая схему от повреждений в результате ошибок во время монтажа или ремонта проводов токовой петли.

Стандарт IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4)

Находясь в окружении мощного промышленного оборудования, электронные компоненты попадают под воздействие помех, вызванных переходными процессами или электромагнитным излучением. Такие помехи могут спровоцировать опасные перенапряжения или привести к сбою в работе незащищенного оборудования. Группа стандартов IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4) описывает ряд испытаний, в процессе которых моделируются те или иные внешние возмущения (перенапряжения, излучения и другие), и происходит оценка электронных систем с точки зрения устойчивости к этим возмущениям. По итогам проведения испытаний оборудование относят к одному из четырех классов (А, B, С или D) в соответствии с критериями качества функционирования, приведенными в таблице 2.

Таблица 2. Классы помехоустойчивости согласно IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4)

Класс Описание
А Нормальное функционирование в соответствии с установленными производителем требованиями
В Временное снижение качества функционирования либо потеря функции или работоспособности с самовосстановлением после прекращения воздействия
С Временное снижение качества функционирования либо потеря функции или работоспособности, которые требуют вмешательства оператора или перезапуска системы
D Снижение качества функционирования или потеря функции, которая не может быть восстановлена оператором из-за повреждения оборудования (компонентов) или программного обеспечения, а также потери данных

IEC61000-4-2 (ГОСТ Р 51317.4.2): электростатические разряды

Испытание на устойчивость к электростатическим разрядам имитирует электростатический разряд с руки или одежды персонала непосредственно на компоненты электронного оборудования. С помощью специального генератора электростатических разрядов создают разряды непосредственно на испытываемое оборудование, совершая прикосновение к его компонентам или через воздушный промежуток либо изоляционные покрытия, а также на металлические пластины, расположенные в вертикальных или горизонтальных плоскостях в непосредственной близости от электронных компонентов и имитирующие корпус прибора или расположенные рядом проводящие конструкции. Испытательные воздействия прикладываются в местах, где наиболее вероятно прикосновение персонала во время эксплуатации или монтажа: на кнопках, дисплеях, клеммах и разъемах.

Форма испытательного импульса ЭСР изображена на рисунке 5. Она представляет собой скачок напряжения высокой частоты с периодом пульсации до 100 нс. Амплитуда импульса зависит от степени жесткости испытаний и может составлять 4…15 кВ. Степень жесткости испытаний выбирается в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации оборудования. При проведении испытаний выполняют по 10 последовательных разрядов положительной и отрицательной полярностей в каждой точке приложения воздействия.

Рис. 5. Форма импульса при испытаниях на устойчивость к электростатическим разрядам

Рис. 5. Форма импульса при испытаниях на устойчивость к электростатическим разрядам

IEC61000-4-3 (ГОСТ Р 51317.4.3): радиочастотное электромагнитное поле

Во время проведения испытаний на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю оборудование подвергается воздействию высокочастотного излучения, характерного для работы в непосредственной близости с радиопередатчиками и другим промышленным оборудованием. Диапазон частот и величина напряженности поля выбирается в зависимости от степени жесткости испытаний. Описываемый передатчик токовой петли 4-20 мА испытывается электромагнитным полем частотой 80 МГц…1 ГГц с напряженностью поля 20 В/м.

IEC61000-4-4 (ГОСТ Р 51317.4.4): наносекундные импульсные помехи

Во время включения и отключения различного технологического оборудования по сетям электроснабжения, сигнальным сетям, а также по контуру заземления распространяются наносекундные импульсные помехи (рисунок 6). Испытаниям на устойчивость к таким помехам подвергаются вводы питания, сигнальные вводы и заземляющие контакты электронных приборов.

Рис. 6. Форма испытательного импульса при испытаниях на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

Рис. 6. Форма испытательного импульса при испытаниях на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

В ходе испытаний генератор импульсов формирует пачки помех продолжительностью 15 мс с интервалом 300 мс между пачками. Каждая пачка состоит из импульсов с длительностью фронта около 5 нс и общей продолжительностью импульса порядка 50 нс. Импульсы в пачке повторяются с частотой 2,5 или 5 кГц. Амплитуда испытательных импульсов составляет 250…4000 В. Оборудование подвергается воздействию пачек помех положительной полярности в течении нескольких минут, а затем испытание повторяют для помех отрицательной полярности. Амплитуда испытательных импульсов и время приложения воздействия выбирается, в зависимости от требуемой жесткости испытаний.

IEC61000-4-6 (ГОСТ Р 51317.4.6): кондуктивные помехи

Электромагнитное поле не только оказывает непосредственное воздействие на компоненты электронных приборов, но и создает ЭДС в проводах питания и связи, искажая тем самым передаваемый сигнал и создавая угрозу правильной работе оборудования. В ходе испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам генератор создает в питающих или сигнальных проводах, подключенных к испытываемому оборудованию, дополнительную ЭДС частотой 150 кГц…80 МГц величиной до 10 В, в зависимости от требуемой жесткости испытаний.

Защита от помех

В соответствии с IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4), для каждого вида помех можно выделить высокочастотную и высокоэнергетическую составляющие. Этот подход позволяет определить такую стратегию защиты электронных схем от помех как использование принципов подавления высокочастотной составляющей и шунтирования высокоэнергетической. Для подавления высокочастотной составляющей используются пассивные компоненты: резисторы и конденсаторы. Для стабилизации постоянного напряжения могут использоваться ферритовые фильтры, которые ограничивают высокочастотные составляющие протекающего тока. В равной степени ферритовый фильтр может быть эффективен для использования в токовых выходах, так как не создает дополнительного падения напряжения. В предлагаемой схеме передатчика токовой петли ферритовые фильтры, включенные последовательно между вводными клеммами и диодным мостом, вместе с конденсатором, включенным параллельно, используются для подавления высокочастотной составляющей тока во время переходных процессов и защиты компонентов схемы от губительного воздействия помех.

Шунтирование составляющей большой мощности становится возможным, благодаря наличию всплеска напряжения, сопровождающего переходные процессы, и выполняется с помощью диодных ограничителей переходных перенапряжений, отводящих большую часть энергии помехи в землю или в обратный провод. Эффективность работы диодных ограничителей переходных перенапряжений обусловлена тем, что они довольно быстро переходят в режим пробоя и, как правило, способны шунтировать достаточно большую мощность, что может сыграть ключевую роль для защиты электронных компонентов от многократных импульсных помех. В схеме передатчика токовой пели диодный ограничитель переходных перенапряжений включен между вводными клеммами передатчика.

Выходное напряжение передатчика

Выходным напряжением называют максимальное напряжение, которое может поддерживаться на выходных клеммах передатчика токовой петли при условии, что выходной ток передатчика находится в рабочей области. Формула 5 позволяет определить максимально допустимую нагрузку передатчика или минимальное напряжение питания, необходимое для работы с этой нагрузкой:

$$Compliance\:V\!oltage\leq V_{SUP}\times i_{OUT}\times R_{LOAD}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Выходное напряжение передатчика зависит от двух факторов: режима работы транзистора Q1 и требований к напряжению питания регулятора напряжения. Как правило, транзистор находится в нормальном активном режиме работы, но существует вероятность перехода в режим отсечки или насыщения. Инверсный режим работы транзистора невозможен благодаря наличию в схеме диодного моста, предотвращающего попадания на входы передатчика напряжения обратной полярности.

Ток эмиттера транзистора создает падение напряжения на резисторе R6, которое, в свою очередь, соответствует напряжению эмиттера. Рост этого напряжения может привести к переходу транзистора в режим отсечки. Для поддержания нормального активного режима необходимо повышать напряжение базы – выходное напряжение компаратора U2 – пропорционально росту напряжения эмиттера. При определенных условиях выходное напряжение может достичь предела и транзистор Q1 все-таки перейдет в режим отсечки. Для того чтобы избежать такой ситуации и повысить устойчивость работы схемы, выбирают резистор R6 с небольшим номинальным сопротивлением.

Есть вероятность, что транзистор Q1 перейдет в режим насыщения, но, как правило, напряжение «коллектор-эмиттер» меньше чем напряжение, необходимое для работы регулятора напряжения. Следовательно, величина выходного напряжения передатчика в большей степени определяется величиной напряжения питания регулятора напряжения, которое зависит от сопротивления резистора R4, сопротивления нагрузки и сопротивления соединительных проводов.

Выбор компонентов

Для реализации передатчика токовой петли 4-20 мА используются компоненты с малым энергопотреблением. На рисунке 7 показана подробная схема передатчика с указанием величин дискретных компонентов и конкретных интегральных схем, используемых в проекте.

Рис. 7. Принципиальная схема передатчика

Рис. 7. Принципиальная схема передатчика

Преобразователь напряжения в ток

XTR116 – это полноценный буферный процессор для передатчика токовой петли с питанием от петли, используемый в системах промышленной автоматизации и АСУ ТП. В его состав входят: регулятор напряжения 5 В, источник опорного напряжения 4,096 В и цепь преобразования напряжения в ток. Выходные напряжения регулятора и источника опорного напряжения могут использоваться для питания ЦАП или датчиков, осуществляющих формирование входного напряжения XTR116. Максимальная допустимая полная погрешность без регулировки XTR116 составляет 0,25% длины шкалы относительно его входного напряжения. Дополнительная погрешность возникает из-за неточности установления опорного напряжения.

ЦАП

Погрешность ЦАП снижает точность всей измерительной системы в целом, поэтому тип ЦАП подбирают таким образом, чтобы его погрешность была меньше или соизмерима с погрешностью XTR116. Погрешность смещения, усиления, а также показатели дифференциальной и интегральной нелинейностей ЦАП формируют суммарную погрешность, которая должна соответствовать максимально допустимой полной погрешности без регулировки XTR116, равной 0,25% длины шкалы. Для правильного сопряжения с XTR116 необходим ЦАП с напряжением питания 5 В и опорным напряжение 4,096 В. Для данной схемы выбран ЦАП DAC8551 с максимально допустимой полной погрешностью 0,33% длины шкалы и потребляемым током 250 мкА в номинальном режиме работы. DAC8551 хорошо работает с источником питания 5 В и опорным напряжением 4,096 В от XTR116.

TVS-диоды

Двунаправленный TVS-диод используется для шунтирования высоковольтных помех и перенаправления их энергии в землю. Такие диоды имеют следующие характеристики: рабочее напряжение, напряжение пробоя, ток утечки и номинальную мощность. Значение рабочего напряжения определяет максимальную величину напряжения, под которым диод способен находиться длительное время, не переходя в режим пробоя. На вольт-амперной характеристике диода рабочее напряжение соответствует точке перегиба, в которой через диод начинает протекать небольшой ток утечки. При увеличении напряжения выше рабочего через диод протекает больший ток. Рабочее напряжение TVS-диода должно превышать верхний допустимый предел напряжения питания.

Напряжение пробоя TVS-диода должно быть достаточно малым, для того чтобы обеспечить защиту всех компонентов передатчика, подключенных к выходным клеммам, а также иметь некоторый запас по напряжению для продолжения защиты в момент, когда через диод потечет ток и его напряжение пробоя увеличится. В схеме передатчика используется TVS-диод с рабочим напряжением 36 В, напряжением пробоя 40 В и номинальной мощностью 400 В.

Еще одним параметром, который необходимо учитывать при выборе TVS-диода, является ток утечки. Этот ток протекает через диод под рабочим напряжением, не находящимся в состоянии пробоя, и создает дополнительную погрешность передатчика. В нашем случае используется TVS-диод с током утечки, не превышающим 1 мкА.

Диодный мост

Диодный мост используется для поддержания работоспособности передатчика вне зависимости от полярности напряжения питания. Важными качествами диодного моста для нашего передатчика являются небольшой обратный ток утечки и малое значение прямого напряжения. Низкий обратный ток утечки важен, потому что в нормальном рабочем режиме два из четырех диодов всегда находятся под напряжением обратной полярности, и через них всегда протекает ток утечки, снижающий точность работы передатчика. Небольшое прямое напряжение необходимо для того чтобы снизить выходное напряжение передатчика.

Для нашей схемы был выбран диодный мост типа DSRHD10, который представляет собой 4 диода с подходящими параметрами в одном корпусе. Номинальный обратный ток утечки составляет 0,1 мкА при обратном напряжении 1000 В, а номинальное прямое напряжение – 1,15 В при сквозном токе 1 А. При работе в условиях, соответствующих нашей схеме, обратный ток утечки составит 0,01 мкА, а прямое напряжение – 0,6 В.

Выбор пассивных компонентов

Включенные последовательно ферритовые фильтры и включенный параллельно конденсатор необходимы для подавления помех, с которыми не справились TVS-диоды. Ферритовые фильтры выбирают по номинальному току, номинальному сопротивлению постоянному току и номинальному сопротивлению току высокой частоты. В нашем случае используются фильтры на номинальный ток 3 А с максимальным сопротивлением 42 мОм для постоянного тока и 600 Ом для тока частотой 100 МГц. Номинальное напряжение конденсатора составляет 100 В. Некоторые из резисторов, используемых в схеме, должны быть высокоточными, чтобы обеспечить точность работы передатчика. Это касается резисторов, используемых для регулирования коэффициента усиления (R4 и R5) и коэффициента смещения (R1 и R3). Резистор R2 и конденсатор С1 включены для стабилизации опорного напряжения, и их точность не критична.

Расчет погрешности

Приводим расчет погрешностей передатчика токовой петли, выполненный на основании неопределенностей, указанных в документации на каждый компонент, используемый в схеме. Расчеты выполнены при условии работы оборудования при комнатной температуре.

Погрешность ЦАП

ЦАП вносит в систему погрешности трех видов, это погрешность смещения, погрешность усиления, а также погрешность, связанная с нелинейностью передаточной характеристики ЦАП. Все эти составляющие описаны в документации на ЦАП. Так как погрешности ЦАП являются некоррелированными, то есть не связанными величинами, суммарную погрешность определим как корень из суммы квадратов (формула 6). Наиболее вероятные и максимальные возможные значения указаны в таблице 3.

$$TUE_{DAC}=\sqrt{OffsetError_{DAC}^2+GainError_{DAC}^2+LinearityError_{DAC}^2}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Таблица 3. Результаты расчета погрешностей ЦАП

Тип погрешности Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное значение, %
Погрешность из-за нелинейности передаточной функции 0,0046 0,0122
Погрешность смещения 0,0488 0,2930
Погрешность усиления 0,0200 0,1500
Полная погрешность без регулирования 0,0529 0,3294

Погрешность преобразователя напряжения в ток

Как и ЦАП, преобразователь напряжения в ток XTR116 вносит в работу системы погрешности смещения и, усиления, а также погрешность, связанную с нелинейностью передаточной функции. Каждая из этих погрешностей является некоррелированной величиной. Суммарную погрешность определяем как корень из суммы квадратов (формула 7). Наиболее вероятные и максимальные возможные значения указаны в таблице 4.

$$TUE_{XTR116}=\sqrt{OffsetError_{XTR116}^2+GainError_{XTR116}^2+LinearityError_{XTR116}^2}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Таблица 4. Результаты расчета погрешностей XTR116

Тип погрешности Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное значение, %
Погрешность из-за нелинейности передаточной функции 0,0010 0,0100
Погрешность смещения 0,0024 0,0122
Погрешность усиления 0,0500 0,2000
Полная погрешность без регулирования 0,0532 0,2505

В состав XTR116 входит источник опорного напряжения, который также вносит дополнительную погрешность в работу передатчика. Он является и источником опорного напряжения для ЦАП, а, следовательно, точность его работы влияет на погрешность усиления ЦАП, а также на линейность передаточной функции ЦАП, потому что точность установления величины младшего разряда связана с точностью установления опорного напряжения. Помимо прочего, опорное напряжение используется для установления тока смещения резисторами R1 и R3 и тем самым влияет на погрешность усиления преобразователя напряжения в ток. Как мы видим, погрешности, связанные с неточностью установления опорного напряжения, связаны с коэффициентом корреляции +1, то есть вычисление общей погрешности сводится к алгебраической сумме ее составляющих. В таблице 5 представлены погрешности, связанные с неточностью установления опорного напряжения.

Таблица 5. Результаты расчета погрешностей из-за неточности установления опорного напряжения

Тип погрешности Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное значение, %
Погрешность из-за нелинейности передаточной функции 0,000002 0,00003
Погрешность смещения 0,0125 0,0625
Погрешность усиления 0,0510 0,2875
Полная погрешность без регулирования 0,063502 0,35003

Погрешность резисторов

Резисторы R3, R4 и опорное напряжение используются для создания тока смещения во время калибровки системы. Погрешность этих резисторов вносит вклад в общую погрешность смещения (формула 8). Значения погрешностей резисторов указаны в таблице 6.

$$TUE_{Resistors}=\sqrt{OffsetError_{Resistors}^2+GainError_{Resistors}^2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Таблица 6. Результаты расчета погрешностей резисторов

Тип погрешности Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное значение, %
Погрешность смещения 0,0083 0,0250
Погрешность усиления 0,0333 0,1001
Полная погрешность без регулирования 0,0343 0,1031

Погрешность схемы

Общая суммарная погрешность передатчика может быть определена как корень из суммы квадратов отельных ее составляющих, которые описаны выше и являются некоррелированными величинами. В таблице 7 приведены расчетные наиболее вероятные и максимально возможные значения погрешностей схемы передатчика и их допустимые значения, согласно техническим характеристикам прибора.

Таблица 7. Результаты расчета погрешностей

Тип погрешности Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное значение, % Допустимое
значение, %
Погрешность из-за нелинейности передаточной функции 0,0047 0,0158 н/д
Погрешность смещения 0,0511 0,3009 н/д
Погрешность усиления 0,0813 0,3939 н/д
Полная погрешность без регулирования 0,0962 0,4959 0,5000

Печатная плата

Для оптимизации работы передатчика печатную плату выполняют в соответствии со стандартными рекомендациями по компоновке печатных плат, в том числе касающимися разделения интегральных схем и правильного подключения питания и заземления. Отдельное внимание следует уделить обеспечению устойчивости схемы к электромагнитным помехам (рисунок 8).

Рис. 8. Печатная плата

Рис. 8. Печатная плата

Все защитные элементы должны быть расположены как можно ближе к выходным клеммам, для того чтобы шунтировать токи внешних возмущений и отвести их от чувствительных компонентов. Для создания оптимальных токов в схеме необходимо использовать широкие проводящие дорожки, обладающие малым сопротивлением и небольшой индуктивностью. По возможности используются медные плоскости, а не дорожки. Соединение земляных плоскостей обеспечивает экранирование платы и снижает влияние излучаемых помех.

Эксплуатационные характеристики

Передаточная функция по постоянному току получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра на нагрузке 250 Ом и напряжении питания 24 В. Результаты представлены на рисунке 9.

Рис. 9. Зависимость выходного тока от входного кода

Рис. 9. Зависимость выходного тока от входного кода

Для лучшего понимания эксплуатационных характеристик на рисунке 10 представлены расчетные значения полной погрешности без регулировки для выходного тока в процентах от полного диапазона измерений, а на рисунке 11 – измеренные значения интегральной нелинейности.

Рис. 10. Зависимость погрешности выходного тока от входного кода

Рис. 10. Зависимость погрешности выходного тока от входного кода

Результаты измерений, расчетные значения и целевые показатели точности сведены в таблицу 8. Результаты измерений соответствуют расчетным наиболее вероятным и максимальным значениям.

Рис. 11. Зависимость интегрального смещения выходного тока от входного кода

Рис. 11. Зависимость интегрального смещения выходного тока от входного кода

Таблица 8. Измеренные и расчетные значения погрешностей

Тип погрешности Измеренные значения, % Наиболее вероятное значение, % Максимальное возможное
значение, %
Допустимое
значение, %
Погрешность из-за нелинейности передаточной функции 0,0122 0,0047 0,0158 н/д
Погрешность смещения 0,0885 0,0511 0,3009 н/д
Погрешность усиления 0,1192 0,0813 0,3939 н/д
Полная погрешность без регулирования 0,1420 0,0962 0,4959 0,5000

Результаты испытаний на ЭМС

Для присвоения портам передатчика класса А по помехоустойчивости установлен такой критерий качества функционирования как отклонение величины тока передатчика не более чем на 0,5% от предполагаемой величины во время воздействия помехи. На время проведения испытаний передатчик был настроен на выдачу постоянного тока величиной 12 мА. Стандарт IEC61000-4 (ГОСТ Р 51317.4) не устанавливает требования к оборудованию для контроля критериев качества функционирования. Во время проведения испытаний выходной ток контролировался с помощью 6,5-разрядного мультиметра Agilent 34401 A, работающего в 5,5-разрядном режиме.

Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам (IEC61000-4-2, ГОСТ Р 51317.4.2)

Испытания проводились на напряжении ±8 кВ для создания контактных разрядов на элементы схемы, а также горизонтальные и вертикальные металлические пластины, расположенные вблизи передатчика, и на напряжении ±15 кВ для создания разрядов через воздушный промежуток. Электростатические разряды практически не влияют на значение выходного тока. Во время проведения испытаний и после их окончания отклонение выходного тока оставалось в пределах 0,5%. Результаты показаны на рисунках 12, 13, 14 и в таблице 9.

Рис. 12. Выходной ток во время электростатических разрядов на вертикальные и горизонтальные пластины

Рис. 12. Выходной ток во время электростатических разрядов на горизонтальные и вертикальные пластины

Рис. 13. Выходной ток во время контактных электростатических разрядов

Рис. 13. Выходной ток во время контактных электростатических разрядов

Рис. 14. Выходной ток во время воздушных электростатических разрядов

Рис. 14. Выходной ток во время воздушных электростатических разрядов

Таблица 9. Результаты испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам

Точка воздействия Испытательный уровень Результат Присвоенный класс
Горизонтальная пластина 8кВ Успешно А
Вертикальная пластина 8кВ Успешно А
Контакт 8кВ Успешно А
Воздушный промежуток 15кВ Успешно А

Испытания на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю (IEC61000-4-3, ГОСТ Р 51317.4.3)

Передатчик подвергался воздействию поля напряженностью 20 В/м и показал результаты, соответствующие критериям функционирования, установленным для класса А по помехоустойчивости. Результаты приведены в таблице 10 и на рисунке 15.

Рис. 15. Выходной ток во время воздействия электромагнитного поля напряженностью 20 В/м горизонтальной и вертикальной поляризации

Рис. 15. Выходной ток во время воздействия электромагнитного поля напряженностью 20 В/м горизонтальной и вертикальной поляризации

Таблица 10. Результаты испытаний на устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю

Положение антенны Испытательный уровень Результат Присвоенный класс
Горизонтальное и вертикальне 20 В/м Успешно А

Испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (IEC61000-4-3, ГОСТ Р 51317.4.4)

Испытания показали, что наносекундные импульсные помехи величиной ±4 кВ вызывали некоторое изменение выходного тока, которое можно было зафиксировать мультиметром, а помехи величиной ±2 кВ уже не вызывали никаких заметных отклонений. В обоих случаях изменение выходного тока не превышало 0,5%, что соответствует классу А по помехоустойчивости. После окончания воздействия полностью восстанавливался нормальный режим работы передатчика. В таблице 11 собраны результаты испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам. Рисунки 16 и 17 отображают результаты измерений выходного тока во время проведения испытаний.

Рис. 16. Выходной ток во время воздействия наносекундных импульсных помех 2 кВ

Рис. 16. Выходной ток во время воздействия наносекундных импульсных помех 2 кВ

Рис. 17. Выходной ток во время воздействия наносекундных импульсных помех 4 кВ

Рис. 17. Выходной ток во время воздействия наносекундных импульсных помех 4 кВ

Таблица 11. Результаты испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

Испытательный уровень, кВ Результат Присвоенный класс
±2 Успешно А
±4 Успешно А

Испытания на устойчивость к кондуктивным помехам (IEC61000-4-6, ГОСТ Р 51317.4.6)

Проведенные испытания на устойчивость к кондуктивным помехам показали незначительное влияние этих помех на значение выходного тока, что соответствует классу А по помехоустойчивости. На рисунке 18 показано поведение выходного тока во время приложения воздействий.

Рис. 18. Выходной ток во время воздействия кондуктивных помех

Рис. 18. Выходной ток во время воздействия кондуктивных помех

Аналоги и модификации

Двухпроводные передатчики токовой петли, как правило, работают с 12- или 16-битными ЦАП различной точности. Компания Texas Instruments предлагает несколько вариантов ЦАП для организации токовой петли с питанием от петли, которые перечислены в таблице 12.

Таблица 12. Варианты ЦАП

Наименование Разрядность, бит Погрешность смещения, мВ Погрешность усиления, % Погрешность из-за нелинейности, LSBs
Дифференциальной Интегральной
DAC7311 12 0,05 0,05 0,2 0,3
DAC7551 12 12 0,15 0,08 0,35
DAC8411 16 0,05 0,05 0,5 4
DAC8551 16 2 0,02 0,25 3
DAC8830 16 Нет данных 0,0015 0,5 0,5

В таблице 13 приведены варианты интегральных схем, которые могут использоваться в качестве двухпроводных передатчиков вместо XTR116.

Таблица 13. Варианты передатчиков

Наименование Напряжение регулятора, В Опорное напряжение, В Погрешность усиления, мВ Погрешность усиления, % Погрешность
из-за интегральной нелинейности, LSBs
XTR116 5 4,096 0,1 0,05 0,003
XTR115 5 2,5 0,1 0,05 0,003
XTR117 5 Нет данных 0,1 0,05 0,003

 

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
XTR116U/2K5 (TI)
XTR116UA/2K5 (TI)
XTR116U (TI)
XTR115U/2K5 (TI)
XTR115U (TI)
XTR115UA (TI)
XTR117AIDGKT (TI)
XTR117AIDGK (TI)
XTR117AIDGKTG4 (TI)