Напряжение на токовой петле

Все для работы с токовой петлей от Maxim Integrated

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:

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 I 2 C-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 I 2 C 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

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:

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 ZedBoard TM , 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

Аналоговые полевые интерфейсы: токовая петля 4-20 мА – от простого к сложному

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 последнее время, в связи с распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). О физических основах токовой петли, особенностях ее реализации и разновидностях интерфейса призвана напомнить эта статья.

Любая система управления помимо электроники и исполнительных устройств включает в себя набор интерфейсов, с помощью которых происходит сопряжение всех ее элементов в единое целое. Именно интерфейсы обеспечивают надежное функционирование оборудования в реальных, порой весьма жестких условиях. Анализ наиболее популярных аналоговых и цифровых способов обмена информацией с удаленными элементами показывает, что многие из них основаны на использовании токовой петли (Current Loop). Благодаря простоте, высокой помехозащищенности и ряду других положительных качеств, токовая петля, особенно интерфейс 4-20 мА, заслуженно стала одной из самых распространенных основ для передачи информации на большие расстояния.

Однако сегодня, во многом благодаря почтенному возрасту данного метода, истоки которого следует искать в технической литературе середины ХХ века, некоторые разработчики, особенно начинающие, не до конца понимают всех его особенностей, что приводит к появлению досадных ошибок при проектировании. Поэтому базовую информацию о данном методе передачи данных необходимо периодически обновлять, что и является целью этой статьи.

Почему ток, а не напряжение?

Как известно из школьного курса физики, режим работы участка электрической цепи (двухполюсника) определяется двумя основными параметрами: напряжением U – разностью потенциалов на его концах, и током I, протекающим через него (рисунок 1). В общем случае связь между значениями U и I может быть достаточно сложной, ведь она зависит от внутренней начинки двухполюсника, который может содержать все что угодно, в том числе и источники электрической энергии. Однако в простейшем случае, – для резистора с сопротивлением R, – эти два параметра связаны законом Ома: U = I × R.

Рис. 1. Основные соотношения для резистивного двухполюсника

Рис. 1. Основные соотношения для резистивного двухполюсника

Таким образом, при использовании на приемной стороне резистора в качестве датчика входного сигнала, теоретически нет никакой разницы между способами передачи сигнала – с помощью напряжения или с помощью тока, ведь эти два параметра взаимосвязаны. Более того, с технической точки зрения передавать информацию с помощью напряжения проще, чем с помощью тока, ведь большинство существующих источников электрической энергии является источниками напряжения, да и приборов, в том числе и полупроводниковых, способных контролировать или регулировать напряжение, намного больше. Кроме этого, система, передающая информацию с помощью напряжения при бесконечно большом сопротивлении измерительного элемента (R ⇒ ∞) практически не потребляет тока (I ⇒ 0). Это означает, что теоретически она может быть намного экономичней, ведь в этом случае мощность сигнала P, а следовательно, и затраты энергии на его передачу могут быть сколь угодно малыми (P = U × I ⇒ 0).

И действительно, вряд ли кто-то будет использовать токовую петлю для связи, например, двух микроконтроллеров, расположенных на одной плате в нескольких сантиметрах друг от друга. Однако когда речь заходит о расстояниях больше десяти метров или о передаче информации в сложной электромагнитной обстановке, основные недостатки токовой петли при работе на малых расстояниях превращаются в ее достоинства, и она становится одним из самых надежных и эффективных способов передачи информации.

Основным преимуществом токовой петли является высокая точность передачи информации. В реальной системе связи на величину напряжения сигнала на приемной стороне влияют физические параметры линии, в первую очередь – активное сопротивление ее проводников RЛ1 и RЛ2 (рисунок 2). Действительно, согласно второму закону Кирхгофа, сумма напряжений в замкнутом контуре должна быть равна нулю, поэтому напряжение UВЫХ, генерируемое передатчиком, равно сумме падений напряжений на сопротивлениях проводов линии связи UЛ1, UЛ2 и входном сопротивлении приемника UВХ. Это означает, что для точной передачи сигнала, особенно аналогового, с помощью напряжения необходимо каждый раз подстраивать систему под конкретную линию связи. Учитывая, что активные сопротивления проводников RЛ1 и RЛ2 физической линии зависят от многих факторов, в первую очередь от температуры, такую настройку необходимо проводить регулярно, в зависимости от времени суток и погодных условий.

Рис. 2. Системы связи на основе передачи напряжения и тока

Рис. 2. Системы связи на основе передачи напряжения и тока

В отличие от напряжения, величина которого отличается для каждого участка, ток во всех элементах неразветвленной электрической цепи одинаков. Это означает, что качество передаваемой информации (силу тока) можно контролировать не только на приемной, но и на передающей стороне, тем самым подстраиваясь под все изменения параметров линии. Таким образом, система передачи данных на основе токовой петли не требует каких либо дополнительных инструментов калибровки или автоподстройки под конкретную линию связи – эту функцию автоматически выполняет передатчик.

Влияние параметров линии связи в системе, передающей информацию с помощью напряжения, теоретически можно уменьшить, увеличив внутреннее сопротивление приемника (в идеальном случае R ⇒ ∞). В этом случае произойдет уменьшение тока в линии, а следовательно, и падение напряжения на сопротивлениях RЛ1 и RЛ2. Однако при работе с длинными линиями это приведет к ухудшению качества связи, поскольку кроме сигнала в системе существуют еще и помехи.

Помеха является такой же неотъемлемой частью систем передачи данных как передатчик, приемник и линия связи. В аналоговых системах наличие помех приводит к уменьшению соотношения «сигнал/шум», а в цифровых – к увеличению вероятности ошибки. В системе на основе передачи напряжения напряжение, создаваемое помехой UПОМ, суммируется с выходным напряжением передатчика UВЫХ (рисунок 3), поэтому на приемной стороне их разделение весьма затруднительно. А вот в системе на основе передачи тока любые отклонения выходного сигнала, в том числе и вызванные помехой, могут быть скомпенсированы на передающей стороне. Воздействие помехи в этом случае проявится в виде изменения напряжения на выходе передатчика на величину -UПОМ, но ток в линии останется неизменным.

Рис. 3. Влияние помехи на различные системы связи

Рис. 3. Влияние помехи на различные системы связи

Это также можно объяснить иначе: в системе на основе передачи напряжения энергия помехи выделится на входе приемника, где она причинит максимальный вред, а в системе на основе передачи тока – на выходе передатчика, где эффект от ее воздействия будет минимальным. Действительно, поскольку падение напряжения на участке резистивной цепи пропорционально ее сопротивлению, энергия помехи должна выделиться на участке, имеющем максимальное сопротивление. В системе на основе передачи напряжения внутреннее сопротивление передатчика RПЕР (источника напряжения) должно быть как можно меньше, а приемника (вольтметра) – максимально большим (рисунок 3). В системе на основе передачи тока все наоборот: внутреннее сопротивление передатчика (источника тока) должно быть максимально большим, а приемника (амперметра) – минимальным. Таким образом, теоретически (и практически) системы связи на основе токовой петли имеют больший уровень помехозащищенности, чем системы связи на основе передачи напряжения.

Интерфейс 4-20 мА

В основе интерфейса 4-20 мА лежит токовая петля с рабочими значениями токов в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА свидетельствует об обрыве линии, а выше 20,5 мА – о коротком замыкании. Таким образом, этот интерфейс позволяет контролировать целостность физических соединений в системе.

В общем случае логическое соответствие уровней тока может быть любым, однако традиционно малый уровень соответствует низкому уровню контролируемой величины, а большой – высокому. Так, например, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень заполнения бака, равный 4 мА, будет соответствовать пустому баку, а 20 мА – полному. Если же бак будет заполнен наполовину, то датчик сформирует ток 12 мА (4 + (20 – 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток, равный 4 мА, обычно соответствует уровню логического нуля, а 20 мА – логической единице.

Прототипом электрического интерфейса 4-20 мА является его пневматический аналог с уровнями давлений 3…15 фунтов на квадратный дюйм (0,2…1 бар). До широкого распространения электроники именно этот стандарт был доминирующим в промышленности. Именно в нем появился «смещенный ноль», когда низкий уровень сигнала отличался от нулевого значения. В свое время это было связано с тем, что, во-первых, давление меньше 0,2 бар было технически сложно обнаружить, а во-вторых – уменьшение давления ниже этой величины свидетельствовало о наличии повреждений.

По мере развития электроники, особенно в области микроконтроллеров, пневматические системы управления постепенно вытеснялись электронной автоматикой. Однако до сих пор выпускается множество устройств с пневматическими интерфейсами управления, например, регулирующая арматура для трубопроводов. Это связано с тем, что использование в них электрических приводов технически сложно или дорого. В этом случае используются специализированные преобразователи интерфейсов «токовая петля 4-20 мА» в «давление 3-15 фунтов на квадратный дюйм» (и наоборот), предназначенные для сопряжения электронной и пневматической частей системы управления (рисунок 4).

Рис. 4. Преобразователи электрического интерфейса «токовая петля 4-20 мА» в пневматический «3-15 фунтов на квадратный дюйм»

Рис. 4. Преобразователи электрического интерфейса «токовая петля 4-20 мА» в пневматический «3-15 фунтов на квадратный дюйм»

Основными преимуществами интерфейса 4-20 мА являются:

  • простота – в самом простейшем случае удаленное устройство можно подключить с помощью всего двух проводов;
  • высокая точность передачи сигнала – поскольку ток одинаков во всех элементах системы передачи, передатчик всегда знает, какой уровень сигнала получит приемник;
  • высокая помехозащищенность за счет двойного контроля тока (и на стороне передачи, и на стороне приема), позволяющая подключать удаленные (порой до десятков километров) объекты, например, с помощью стандартных телефонных линий;
  • независимость качества связи от длины линии, которая влияет только на максимальную скорость передачи данных;
  • возможность самодиагностики как обрыва, так и короткого замыкания линии;
  • теоретически неограниченная дальность связи – фактически максимальная длина соединительного кабеля ограничена лишь электрической прочностью его изоляции и скоростью передачи данных.

Все это привело к широкому распространению данного интерфейса на практике, особенно в промышленных системах, и поддержке большим количеством производителей, что является еще одним, пожалуй, самым главным его преимуществом.

Однако, как и любой другой интерфейс, токовая петля имеет ряд недостатков и ограничений, на которые следует обратить внимание при разработке. Основным из них является возможность передачи по одному кабелю только одного сигнала. При большом количестве устройств это может стать проблемой, поскольку кроме увеличения количества кабелей могут возникнуть нежелательные паразитные контуры в цепи заземления, что негативно скажется на помехоустойчивости системы. Также при большом количестве одновременно используемых интерфейсов необходимо уделять особое внимание качеству и состоянию кабелей, поскольку все преимущества токовой петли исчезают при нарушении изоляции передающих линий.

Еще одним недостатком токовой петли является относительно низкая (по сегодняшним меркам) скорость передачи информации, напрямую зависящая от длины линии. В отличие от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость перезаряда паразитной емкости кабеля можно повысить, например, увеличением мощности передатчика (ведь его кратковременный максимальный выходной ток теоретически ничем не ограничен), выходной ток передатчика для токовой петли не должен превышать 20 мА. Пусть в системе связи используется типовой кабель с погонной емкостью, равной 75 пФ/м. В этом случае отрезок линии длиной 1 км будет иметь емкость 75 нФ. Пусть входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА обеспечивает напряжение на входе приемника 5 B. В этом случае для заряда паразитной емкости линии до такого напряжения потребуется около 18,5 мкс. Нетрудно подсчитать, что максимальная скорость передачи в этом случае не может превышать 54 кбит/с, и она будет пропорционально уменьшаться по мере увеличения длины кабеля. В реальных системах скорость передачи данных по интерфейсу 4-20 мА обычно не превышает 9600 кбит/с. Тем не менее, для большинства систем управления этого оказывается вполне достаточно.

Основные узлы интерфейса 4-20 мА

В идеальном случае для создания информационного сигнала следовало бы использовать специализированный управляемый генератор тока. Однако технически оказалось проще разделить функции электропитания и формирования сигнала и использовать в системе два отдельных узла: источник питания, обеспечивающий систему электрической энергией, и управляемый стабилизатор тока, выполняющий функцию генератора (передатчика) сигнала. Это позволило:

  • подключить приемопередающую часть системы к стандартным шинам питания (9 В, 12 В, 24 В и так далее);
  • гибко выбирать необходимый уровень рабочего напряжения;
  • избавиться от привязки источника электрической энергии к передающему узлу.

При таком подходе источник питания для приемопередающей части в общем случае может находиться в любой части системы: как в локальном, так и в удаленном оборудовании, а также подключаться в виде отдельного устройства непосредственно в разрыв кабеля линии связи (рисунок 5).

Рис. 5. Варианты построения системы связи на основе интерфейса 4-20 мА

Рис. 5. Варианты построения системы связи на основе интерфейса 4-20 мА

Напряжение питания приемопередающей части зависит от падения напряжения в линии связи. Чем длиннее линия связи и чем тоньше провод, тем выше должен быть этот параметр. Для объектов, расположенных на значительном расстоянии, напряжение питания может достигать 120 В и более.

В целом напряжение источника питания должно быть приблизительно на 10% больше общего падения напряжения на всех элементах приемопередающего тракта при максимальном токе (20 мА). Если напряжение питания будет ниже, то из-за высокого сопротивления контура управляемый стабилизатор тока просто не сможет обеспечить нужный ток. Повышенное же значение этого параметра в худшем случае, например, при обрыве кабеля, может привести к выходу оборудования из строя.

Дистанционное питание удаленного оборудования

Поскольку падение напряжения в линии не влияет на качество передачи информации, то возникает вопрос: а можно ли его дополнительно увеличить, отобрав часть энергии сигнала для питания удаленного оборудования? Оказывается, в некоторых случаях это вполне возможно. Например, если на приемной стороне добавить в линию дополнительное сопротивление 500 Ом (рисунок 6), то при протекании тока на нем будет формироваться падение напряжения от 2 В (при токе 4 мА) до 10 В (при токе 20 мА), что вполне достаточно для питания маломощных измерительных узлов (в данном случае мощность при токе 4 мА будет равна 8 мВт). Очевидно, что введение дополнительного падения напряжения в линии должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением напряжения источника питания.

Рис. 6. Дистанционное питание удаленного датчика с помощью токовой петли

Рис. 6. Дистанционное питание удаленного датчика с помощью токовой петли

В большинстве случаев мощности сигнала, снимаемого с токовой петли интерфейса 4-20 мА, достаточно для питания большинства датчиков, например, датчиков температуры или влажности, положения ротора электродвигателя и других малопотребляющих устройств. Однако если разработчику необходимо удаленно питать устройства, содержащие более мощные приборы, например, реле или жидкокристаллический экран с LED-подсветкой, тогда необходимо использовать иные варианты: либо отдельный источник питания, либо другие разновидности интерфейса 4-20 мА.

Разновидности интерфейсов 4-20 мА

Все рассмотренные выше варианты использования интерфейса 4-20 мА относились к его двухпроводной версии, которая является самой простой и бюджетной. Как было сказано выше, единственным недостатком двухпроводного соединения является ограниченная мощность питания удаленного оборудования, связанная с конечным значением как максимального тока в линии (20 мА), так и максимального падения напряжения на приемной стороне.

Этот недостаток полностью устранен в четырехпроводной версии рассматриваемого интерфейса, в которой для питания удаленного оборудования используется отдельный узел, подключаемый с помощью отдельного электрического кабеля (рисунок 7). При таком подходе информационная часть системы оказывается полностью изолированной от всех остальных цепей (при условии, что передатчик и приемник интерфейса 4-20 мА тоже содержат соответствующие изолирующие компоненты), что обеспечивает наивысший уровень защиты от электромагнитных помех. Напряжение питания удаленного оборудования в общем случае может быть любым. Чаще всего используются постоянные (12, 24 или 48 В) или переменное (220 В, 50 Гц) напряжения, что позволяет использовать для этой цели стандартные шины и источники питания.

Рис. 7. Четырехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Рис. 7. Четырехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Очевидно, что такой вариант подключения является самым сложным и дорогим, однако он позволяет дистанционно питать оборудование теоретически любой мощности и передавать информацию с наивысшим уровнем помехозащищенности. Конечно, на практике реальная мощность подключаемого оборудования ограничена пропускной способностью электрического кабеля, да и к интерфейсу 4-20 мА, откровенно говоря, такой способ соединения относится лишь формально, ведь в данном случае речь идет фактически о двух параллельно работающих независимых системах: системе питания и системе передачи информации.

Незначительно упростить систему можно путем замены двух двухпроводных кабелей одним четырехпроводным. Однако этот вариант в большинстве случаев будет компромиссным, поскольку жилы проводников электрической части кабеля чаще всего должны иметь большее сечение, а при высоких питающих напряжениях – и большую прочность изоляции, по сравнению с проводами его информационной части. Да и вероятность ошибочного подключения оборудования при использовании четырехпроводного кабеля значительно возрастает.

Если позволяют технические условия, то можно использовать промежуточный – трехпроводный вариант интерфейса. Его потенциальные возможности (высокая мощность дистанционного подключаемого оборудования и уровень помехозащищенности) за счет отдельных линий питания и передачи информации аналогичны четырехпроводной версии, но, за счет исключения электрической изоляции между разными частями системы, эта версия интерфейса оказывается проще и бюджетней. Например, в трехпроводной версии интерфейса 4-20 мА приемопередающие узлы и все остальное оборудование можно питать от одного источника (рисунок 8).

Рис. 8. Трехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Рис. 8. Трехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Таким образом, трех- и четырехпроводные версии 4-20 мА позволяют увеличить мощность дистанционно подключаемого оборудования, однако при этом возрастает как сложность, так и стоимость системы. Кроме этого, при использовании систем на опасных объектах увеличение уровня мощности, подаваемой к удаленному узлу, может вызвать проблемы с обеспечением требуемого уровня искро-, взрыво- и пожарной безопасности. Следует также отметить, что при использовании двухпроводной версии интерфейса 4-20 мА проблем с сертификацией оборудования для работы во взрывоопасных средах практически не возникает, то есть, на удаленное оборудование подается настолько мало энергии, что там даже нет условий для возникновения искры.

Стандарты и примеры применения токовой петли

За все время существования токовой петли было разработано несколько вариантов ее практического применения, которые получили достаточно широкое распространение. Изначально (в 50-х годах ХХ века) токовая петля с уровнями сигналов 0-60 мА использовалась в телеграфии, однако из-за недопустимо высокого (даже в то время) энергопотребления уже с начала 60-х годов максимальный уровень тока был уменьшен до 20 мА. На сегодняшний день 20 мА является предельным значением тока для большинства интерфейсов, хотя, в соответствии с ГОСТ 26.011-80, значение этой величины, по согласованию с заказчиком, может достигать 100 мА.

Токовая петля упоминается в ряде отечественных стандартов, например, ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84), ГОСТ 27696-88 или ГОСТ 28854-90 и зарубежных, например, IEC 62056-21/DIN 66258. Однако ни один из них не является спецификацией непосредственно токовой петли. Например, IEC 62056-21 стандартизирует протокол связи с электросчетчиками, ГОСТ 27696-88 – интерфейсы, применяемые в промышленных роботах, а ИРПС – интерфейс соединения компьютеров с периферийными устройствами (принтерами, телетайпами и прочим). Таким образом, большинство производителей использует уровни сигналов токовой петли, ставшие традиционными, хотя, уровни сигналов 4-20 мА (впрочем, как и 0-5 мА и 0-20 мА) непосредственно указаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

В целом современные интерфейсы, использующие токовую петлю для передачи данных, отличаются лишь минимальным уровнем допустимого сигнала, который может быть равен либо 0, либо 4 мА. В ряде случаев для передачи информации может использоваться переменный ток в диапазоне -5…+5 мА (при небольших расстояниях) или -20…+20 мА. Все попытки уменьшить максимальное значение тока для снижения энергопотребления увенчались успехом лишь на коротких линиях, поскольку при малом токе и большой длине кабеля катастрофически падает скорость передачи данных.

Пик популярности токовой петли пришелся на эпоху аналоговой телефонии, ведь именно этот способ связи использовался для соединения проводных телефонов с АТС. В телефонных системах необходимая дальность связи, достигающая нескольких десятков километров, обеспечивается использованием повышенного напряжения питания (24…125 В). Стандартная полоса частот при этом составляет 0,3…3,4 кГц, а максимальный ток в линии обычно не превышает 20 мА.

Токовая петля с уровнями 0-5 мА является физическим уровнем стандарта MIDI (Musical Instrument Digital Interface), широко используемого для обмена данными между электронными музыкальными инструментами. Это формат обеспечивает передачу данных со скоростью 31,25 кбит/с на небольшие расстояния (в пределах студии или концертной площадки).

Основным применением токовой петли с уровнями сигнала 4-20 мА являются промышленные системы автоматики, для которых необходима высокая надежность, поэтому в них и используется «смещенный ноль», чтобы своевременно обнаружить неисправность системы управления и принять надлежащие меры для предотвращения возникновения аварийной ситуации.

В последнее время, в связи с повсеместным распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). Проводная версия данного протокола фактически является надстройкой над аналоговым интерфейсом 4-20 мА и позволяет использовать одну и ту же линию связи для одновременной передачи и аналогового (при ограничении полосы до 25 Гц) и цифрового сигналов. Передача цифровых данных обеспечивается путем подмешивания в аналоговый сигнал высокочастотных несущих с амплитудой ±0,5 мА, модулированных по частоте (1200/2200 Гц) или фазе (3200 Гц). При использовании частотной модуляции пропускная способность цифрового канала равна 1200 бит/с, а фазовая модуляция, за счет использования 8-позиционной манипуляции, позволяет увеличить этот параметр до 9600 бит/с. На момент написания статьи последней является 7-я версия протокола (HART 7), описанная в документе HCF-SPEC-13. Некоторые фрагменты проводной версии данного интерфейса вошли в стандарт IEC 61158-CPF9, а беспроводной – в IEC 62591:2010.

Заключение

Почтенный возраст токовой петли вовсе не является причиной для ее забвения. Несмотря на то, что некоторые разработчики считают этот интерфейс отжившим свое, он, тем не менее, продолжает активно развиваться. А еще необходимо понимать, что принципы работы любой, даже самой современной системы связи остаются неизменными, поскольку они базируются на фундаментальных физических законах, корректировать которые человек пока еще не научился. Это означает, что каждый разработчик должен знать основы – физику явлений в системах передачи данных, поскольку в противном случае даже самое современное оборудование будет вести себя совершенно непредсказуемым образом. И наоборот – глубокое понимание тонкостей всех процессов, происходящих в системе, позволит принять правильное решение в любой, даже самой сложной ситуации.

Использование унифицированного токового сигнала 4 — 20 мА в цепях управления

Несмотря на развитие беспроводных сетей для связи между центральным устройством и периферией в системах автоматики и телемеханики, традиционные интерфейсы широко применяются, и ещё долго будут применяться в подобных устройствах. В этой области уже несколько десятилетий используется интерфейс типа «токовая петля», снискавший популярность благодаря простоте и надежности.

Как работает токовая петля 4…20 мА

Токовая петля 4-20 мА, от источника к приёмнику.

Работает токовая петля следующим образом. Сигнал кодируется в виде аналогового сигнала, минимальное значение которого составляет 4 мА, а максимальное – 20 мА. Например, есть датчик для измерения температуры воды. Температуре 0 градусов соответствует уровень 4 мА, а 100 градусов – 20 мА. Тогда промежуточные значения будут лежать в этом диапазоне. Например, 50 градусам будет соответствовать ток 12 мА. Центральное устройство (ЦУ) на приёмной стороне измеряет ток и обрабатывает принятое входное от датчиков значение.

Другой вариант – когда с центральным устройством связан не датчик, а исполнительный механизм (актуатор). Это может быть позиционер клапана, дроссельная заслонка и т.п. Актуатор служит приёмником, а центральное устройство – передатчиком. Генерируя выходной сигнал от 4 до 20 мА, ЦУ управляет положением исполнительного механизма.

Чаще всего уровень тока в 4 мА принят за нулевой, а 20 мА — за полный диапазон. Например, если датчик положения пневматического клапана выдаёт сигнал в 4 мА, обычно, это означает, что клапан полностью закрыт, а если 20 мА – то полностью открыт. При промежуточных значениях, соответственно, клапан принимает соответствующие промежуточные значения. Но нет никаких ограничений, чтобы сделать наоборот – вопрос только в обработке сигнала на приёмной стороне. Если сигнал дискретный, то за уровень логического нуля обычно принимают 4 мА, а за единицу – 20 мА (но можно и наоборот).

Читайте также: Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды

На первый взгляд, здесь присутствует усложнение. Зачем преобразовывать напряжение в ток, а потом обратно, если можно сразу подать сигнал напряжения, например, в пределах 0…5 вольт, и на приемной стороне также обойтись без дополнительного преобразования? При малом (например, в несколько сантиметров) расстоянии между приёмником и передатчиком, это действительно так. При увеличении расстояния у токовой схемы есть серьёзное преимущество.

Потери напряжения в цепи от источника к приёмнику.

Потери напряжения в линии

При подаче сигнала, кодируемого уровнем напряжения, часть напряжения упадёт на проводах соединительной линии. Приемной части «достанется» лишь оставшаяся часть. Это сузит диапазон измерения или регулирования, но главное – такая линия требует калибровки, причём не только во время пусконаладки, но и в процессе эксплуатации. Ведь сопротивление линии со временем может измениться (например, из-за окисления клеммных контактов).

Преобразователь сигнала в ток «подстраивается» под сопротивление линии, сохраняя ток стабильным при неизменном задающем сигнале (конечно, в определенных пределах). Кроме того, значение тока не зависит от входного сопротивления приёмной части (тоже в определенных пределах). Это свойство позволяет в теории делать линию связи бесконечной, лишь следя за тем, чтобы ее сопротивление не вышло за определенную границу.

Ещё одним преимуществом такого интерфейса является его высокая помехозащищённость. В нормальном режиме в одном проводе линии связи ток течёт к приёмнику, а в другом – к передатчику (в разные стороны). Помеха же наводит ЭДС сразу в двух проводах (является синфазной), поэтому токовая петля поглощает такой всплеск без искажения сигнала. Этому же способствует низкое входное сопротивление приёмника.

И ещё один плюс токовой петли – врождённая возможность самодиагностики линии связи. Если ток в цепи упал ниже 4 мА, скорее всего, произошел обрыв измерительной линии. Если превысил 20 мА – есть повод подозревать в цепи короткое замыкание.

Существуют конечно, и недостатки. Главный из них – возможность передачи по одному каналу только одного сигнала. Это заставляет использовать для передачи большого количества сигналов кабели с большим количеством жил, что ведёт к снижению помехоустойчивости. Другой врожденный минус – низкая скорость передачи данных, связанная с наличием собственной ёмкости линии связи, которая с ростом длины линии будет увеличиваться (стандарт разрабатывался в 50-х годах прошлого века, тогда это не имело значения).

Читайте также: Что такое соленоидный электромагнитный клапан, назначение, устройство и принцип действия

Интересно, что наряду с токовой петлей 4…20 мА существовал стандарт, в котором наибольший ток мог достигать 60 мА (использовался для телетайпных линий связи). Но это требовало применения более мощных источников питания, поэтому соображения экономичности взяли верх, и этот стандарт потихоньку прекратил своё существование. Также применялся стандарт в 40 мА, но и он сошел со сцены. При этом не существует никаких принципиальных ограничений на применение любого другого значения максимального тока в линии.

Аналоговый вход (AI)

На входе приёмной части установлен преобразователь входного тока в напряжение, например, искробезопасный барьер. Обычно это просто резистор определенного сопротивления. В большинстве случаев его номинал равен 250 Ом. При токе в 4 мА на нём падает напряжение в 1 вольт, а при токе в 20 мА – 5 вольт, что довольно удобно для дальнейших преобразований.

Если выбрать в качестве входных резисторы 125 или 500 Ом, можно получить уровни напряжения 0,5…2,5 или 2…10 вольт. Измеряется входное напряжение обычно с помощью операционного усилителя – резистор подключается между инвертирующим и неинвертирующим входами, а дальше разность напряжений можно масштабировать так, как необходимо и преобразовать в цифровой вид.

Схема аналогового входа токовой петли.

Схема аналогового входа токовой петли

Если приёмником служит периферийное устройство (актуатор), то, в зависимости от входного тока, изменяется положение задвижки, частота вращения электродвигателя, степень открытия пневматических клапанов и происходят другие действия с исполнительными механизмами. Если же приёмником служит центральное устройство, например, контроллер, он обрабатывает сигнал датчика (о положении заслонки, о температуре или давлении, о скорости вращения вала и т.п) и предпринимает действия, заложенные в алгоритме.

Аналоговый выход (AO)

В настоящее время передающая часть токовой петли строится на интегральных преобразователях, выполняемых в виде одной микросхемы. Таков, например, преобразователь MAX12900. Эта микросхема разработана для работы под управлением микроконтроллера путем использования широтно-импульсной модуляции. ШИМ-сигнал с контроллера обрабатывается микросхемой и преобразуется в напряжение. Для конвертации напряжения в ток необходимы внешние транзисторы. Такое решение применяется на стороне передатчика, если им служит центральное устройство (компьютер).

Читайте также: Что такое тензодатчик, типы тензометрических датчиков, схема подключения и их применение

Преобразование в напряжение ШИМ-сигнала с контроллера, обработанного микросхемой.

Если передатчиком служит датчик (температуры, оборотов двигателя, давления, расхода, уровня и т.д.), то такое решение часто является излишним. В этом случае бывает рациональнее построить передающую часть на дискретных элементах. Сигнал с датчика преобразовывается в напряжение, которое затем конвертируется в ток с помощью операционного усилителя.

Сигнал с датчика преобразовывается в напряжение, которое затем конвертируется в ток с помощью операционного усилителя.

С появлением в 80-х годах прошлого столетия интерфейса RS-485 и общей тенденцией перехода на цифровые линии связи, популярность токовой петли стала падать. Тем не менее, она не сошла со сцены, применяется в новых разработках, под неё выпускаются электронные компоненты и готовые устройства. В современных системах автоматизации на промышленных объектах сигнал 4…20 мА применяется достаточно широко для приёма данных от датчиков и управления исполнительными механизмами или задания частоты вращения для частотного привода.

Что такое оптрон, как работает, основные характеристики и где применяется

Что такое оптоволоконный кабель

Описание, устройство и принцип работы полевого транзистора

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется

Что такое петля фаза-ноль простым языком — методика проведения измерения