Токовая петля, особенности реализации - Центр разработки электроники

В настоящее время в промышленности широкое распространение получил аналоговый интерфейс с интересным названием «токовая петля». Этот интерфейс активно применяется для подключения разного рода датчиков и измерительных преобразователей к системам управления, поскольку обеспечивает хорошую устойчивость линии связи к помехам на больших расстояниях, нечувствительность к сопротивлению проводов линии связи, а также позволяет передавать питание для датчиков по той же линии что и сами данные измерений. Рассмотрим подробнее что представляет из себя аналоговая «токовая петля».

Аналоговая «токовая петля» — это интерфейс передачи данных в котором информация передается с помощью изменения силы тока в линии. На рисунке показано типовое подключение датчика по «токовой петле».

Токовая петля

Ток от источника питания (на рисунке БП) по линии передачи поступает в датчик, далее из датчика поступает на аналоговый вход системы управления (на рисунке СУ), а затем втекает обратно в источник питания. Таким образом образуется петля тока, что и обусловило название этого интерфейса. В общем случае, ток в петле зависит от напряжения источника питания, сопротивления аналогового входа системы управления и сопротивления датчика. Напряжение источника питания и сопротивление входа являются условно постоянными величинами, а датчик изменяет свое сопротивление таким образом, чтобы установить в петле ток точно соответствующий значению измеряемой величины.

Наиболее часто в промышленных применениях используется диапазон значений силы тока 4 — 20 мА, т. е. значение в 4 мА соответствует минимальному значению измеряемой величины, а 20 мА — максимальному значению (возможен и инвертированный вариант). Также существует стандарт NAMUR43, который расширяет диапазон 4 — 20мА, позволяя датчику оповещать систему управления об своих ошибочных состояниях. Это достигается путем установки тока в линии выше 20 мА или ниже 4 мА (21 мА и 3.6 мА, соответственно).

Реализация токовой петли в датчике

С точки зрения схемотехники реализовать требуемое поведение датчика позволяет программируемый источник тока. Такой источник можно реализовать на базе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), операционного усилителя и регулирующего элемента (как правило используется транзистор). Наиболее критичными факторами выступают: необходимость обеспечить достаточную точность установки уровня тока в токовой петле и его стабильность при изменении температуры окружающей среды, минимальное собственное потребление схемой тока от линии, а также небольшие габариты.

Для облегчения проектирования устройств ведущими фирмами производителями микросхем выпускаются специализированные ЦАП, которые содержат практически все необходимые элементы для создания выхода типа «токовая петля». Для примера рассмотрим микросхему AD5421 от компании Analog Devices:

Она содержит 16-битный ЦАП с токовым выходом, встроенный задающий резистор, операционный усилитель и встроенный регулирующий элемент, интерфейс для связи с микроконтроллером, источник опорного напряжения, монитор температуры кристалла и напряжения на токовой петле, регулируемый стабилизатор напряжения.

Как видно из описания для реализации токового выхода, не требующего большой температурной стабильности, достаточно применить данную микросхему и управляющий микроконтроллер, который можно запитать от встроенного регулируемого стабилизатора. Для достижения лучшей термостабильности к данной микросхеме необходимо подключить внешний задающий резистор с малым ТКС, а также внешний регулирующий элемент, который позволит уменьшить рассеиваемую на микросхеме мощность и тем самым улучшить ее тепловой режим.

Типовая схема включения микросхемы приведена на рисунке:

Типовая схема включения AD5421

В данной схеме ток в петле регулируется с помощью внешнего транзистора T1, что позволяет поддерживать на входе REGin микросхемы напряжение не более 12В и уменьшить рассеиваемую на микросхеме мощность. Внешний резистор R1 преобразует токовый сигнал ЦАПа в опорное напряжение для операционного усилителя и должен быть точным и стабильным (ТКС не более 5ppm). Входное напряжение «токовой петли» через делитель подается на вход Vloop микросхемы для контроля его уровня. Питающее напряжение для микроконтроллера снимается с выхода REGout. Оно может быть установлено в пределах 3.3 — 12В с помощью конфигурационных входов REG_SEL0-REG_SEL2. Управление микросхемой осуществляется по интерфейсу SPI.

Как видно из предыдущего материала применение специализированных микросхем может сильно упростить задачу организации «токовой петли» в изделии и сократить время разработки. Основной недостаток такого решения это довольно большая стоимость подобных микросхем. Так же возможен вариант реализации данного узла с помощью встроенного в микроконтроллер ЦАП и дискретных элементов, но это увеличит сроки разработки изделия и уменьшит дискретность установки тока, т. к. разрядность ЦАП в типовых микроконтроллерах не превышает 12 бит.