Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Burr-Brown/D19890421Elc013.shtml

Стандартные схемы для согласования токовых контуров

УДК 621.317.799

Джералд Грейм (Jerald Graeme)
Фирма Burr-Brown Corp. (Тусон, шт.Аризона)

Jerald Graeme. Four standard circuits convert current-loop scales, ED, 1988, No.26, pp.107—112.

Рассматриваются четыре стандартные схемы преобразователей диапазона изменения тока и сдвига постоянного уровня, предназначенные для согласования различных токовых контуров контрольно-измерительных установок. Преобразователи обеспечивают малую погрешность и независимую регулировку диапазона изменения и сдвига тока.

Быстрый рост числа контрольно-измерительных приборов с токовыми контурами для передачи сигналов различных уровней опережает возможности промышленности по выбору единого стандарта. На современном предприятии часто эксплуатируются токовые контуры с шестью различными диапазонами изменения токов, что затрудняет техническое обслуживание и создает проблему запасных частей.

Полная стандартизация производственной контрольно-измерительной системы с токовыми контурами обычно предполагает замену как передающего, так и приемного устройств. Вместе с тем простые масштабные преобразователи, выполняющие согласование токов с различными диапазонами изменения, позволяют сохранить аппаратуру на одном из концов линии, что обеспечивает сокращение складских запасов, ускорение процесса модернизации линии и повышение гибкости обслуживания.

Для сопряжения контуров с шестью наиболее распространенными диапазонами изменения токов требуется 30 типов преобразователей. Простейшим решением при разработке таких устройств было бы создание шести стандартных схем, содержащих по одному операционному усилителю (ОУ) с программированием его параметров с помощью коммутации (pin-strap programming). Однако схемная конфигурация с двумя ОУ, предусматривающая раздельные регулировки диапазона изменения и сдвига тока, уменьшает число типов преобразователей с шести до четырех (или даже до двух) и сокращает тем самым общую стоимость операций преобразования. Кроме того, схема на двух ОУ устраняет взаимное влияние регулировок диапазона и сдвига, а также снижает падение напряжения в контуре, связанное с преобразованием величины сдвига.

Шесть диапазонов изменения тока распределяются на две группы в зависимости от величины сдвига постоянной составляющей. Диапазоны 0—1, 0—5, 0—20 мА не имеют сдвига, причем преобразования внутри этой группы выполняются относительно нулевого уровня и требуют только усиления или ослабления величины тока. Аналогичная ситуация сохраняется для диапазонов со сдвигом 1—5, 4—20 и 20—50 мА, поскольку обе граничные точки этих диапазонов отличаются только постоянным масштабным коэффициентом. Процесс преобразования между диапазонами, принадлежащими различным группам, более сложен. Кроме функций усиления или ослабления, интерфейсная схема должна в этом случае обеспечить коррекцию величины фиксированного сдвига постоянной составляющей тока.

Устранение сдвига

Линейность амплитудных характеристик токовых контуров определяет характер преобразований при переходе от одного контура к другому, когда изменяется наклон характеристики и точка пересечения ею вертикальной оси. Усиление или ослабление изменяет наклон характеристики, а сдвиг — положение точки пересечения. По терминологии, принятой в системах управления производственными процессами, усиление определяет диапазон изменений сигнала, а сдвиг фиксирует его эффективный нулевой уровень.

Из 30 возможных типов преобразователей девять выполняют усиление с устранением сдвига (рис.1). Подобная схема преобразователя, предназначенная для двухпроводного источника-передатчика, например XTR101, содержит усилитель тока на ОУ А1 и источник отрицательного тока на ОУ А2. В качестве ОУ могут, в частности, применяться приборы типа OPA445. Для вычитания сдвига из выходного сигнала источника тока используется постоянное опорное напряжение, а не ток. Три другие схемы преобразователей: ослабляющая с устранением сдвига, усиливающая с добавлением сдвига и ослабляющая с добавлением сдвига содержат аналогичные узлы, выполняющие сходные функций.


Входной

Выходной

R1

R2

R4

0-1

0-5

1000

249

0-1

0-20

1000

52,3

0-5

0-20

200

66,5

1-5

0-5

200

806

2000

1-5

0-20

200

49,9

499

1-5

4-20

200

66,5

1-5

10-50

200

22,6

4-20

0-20

49,9

200

499

4-20

10-50

49,9

33,2

Рис.1. Из 30 возможных типов преобразователей девять выполняют операции усиления и устранения сдвига. Подобная схема, предназначенная для двухпроводного источника-передатчика, содержит усилитель и источник тока на операционных усилителях.

В схеме с усилением и устранением сдвига действие обратной связи в усилителе тока обеспечивает равенство напряжений на резисторах R2 и R1. В свою очередь это напряжение будет равно произведению входного тока II на R1, поскольку дифференциальное входное напряжение ОУ близко к нулю. Эмиттерный повторитель на транзисторе Q1 увеличивает диапазон выходного тока ОУ А1 При малых выходных уровнях ток через резистор R2 может приближаться к нулю, что вызовет запирание транзистора Q1. В этом случае ток будет протекать по параллельной ветви через резистор R3.

Отношение R1/R2 определяет величину тока в резисторе R2, а сумма токов через R1 и R2 соответствует выходному току IO, диапазон изменения которого преобразован относительно входного. Например, входной ток, изменяющийся от 4 до 20 мА, с учетом напряжений на резисторах R1 (49,9×) и R2 (200×) преобразуется в выходной ток от 5 до 25 мА, что соответствует требуемому диапазону 0—20 мА, если не учитывать 5-мА сдвиг, который и должна устранить схема.

Компенсацию сдвига, связанную с коррекцией постоянных уровней, в общем случае не удается выполнить с помощью специализированных схем источников тока. Последние не позволяют одновременно обеспечить заданный диапазон перестройки и точность, характерные для универсальных преобразователей токовых контуров. Большими возможностями располагают источники опорных напряжений, выходные уровни которых преобразуются в заданные токи. Однако, если источник напряжения непосредственно подключить к резистору, величина корректирующего сдвига будет зависеть от напряжения на нагрузке. Такое взаимное влияние устраняется в схеме ОУ со следящей обратной связью. Схема, содержащая источник опорного напряжения VR и ОУ А2, преобразует напряжение в ток с помощью всего одного, дополнительного резистора. Потенциал на нагрузке ZL передается на неинвертирующий вход А2, и благодаря действию следящей обратной связи равное напряжение добавляется к выходному уровню, определяемому опорным источником. Изменения напряжения на нагрузке повторяются сигналом обратной связи, фиксирующим напряжение между входом и выходом усилителя на заданном опорным источником уровне, равном, например, 2,5 В. Резистор R4 преобразует опорное напряжение в неизменный ток, который вытекает из нагрузки схемы и уменьшает выходной ток на определенную величину, равную в данном случае 5 мА.

Устранение 5-мА сдвига преобразует диапазон изменения выходного тока 5—25 мА в необходимый диапазон 0—20 мА. Другие значения сопротивлений резисторов R1, R2 и R4 обеспечивают еще восемь типов преобразований (см. табл. рис.1). На практике установка усиления по току и устранение сдвига выполняются программированием номиналов перечисленных резисторов с помощью коммутации. Проще всего регулируется величина сдвига: сопротивление резистора R4 принимает только два значения, поскольку в шести типах схем преобразователя этот резистор не используется; величина VR остается неизменной.

Следящая обратная связь в ОУ А2, однако, приводит к появлению в схеме двух полюсов, так как ОУ и опорный источник имеют однополюсные характеристики. Для устойчивой работы преобразователя в контуре обратной связи должен быть только один полюс. Конденсатор, подключенный параллельно цепи обратной связи ОУ, исключает влияние опорного источника на высоких частотах и устраняет возможность самовозбуждения схемы.

Очевидно, что резисторы R1 и R2 определяют характер преобразования диапазонов изменения токов. Их сопротивления выбираются в расчете на обеспечение 0,01%-ной общей погрешности токового контура. В то время как усиление по току зависит от отношения сопротивлений, их абсолютные значения должны удовлетворять противоречивым требованиям, обеспечивая минимальную погрешность передачи постоянного тока и малое падение напряжения в контуре. Первый резистор используется для оптимизации погрешности на постоянном токе. Как следует из выражения для выходной погрешности, равной VOs/R2, большие значения сопротивления позволяют в определенной степени нейтрализовать влияние входного напряжения сдвига ОУ. С другой стороны, при малых сопротивлениях снижается контурное падение напряжения IIR1 на входных цепях преобразователя.

При компромиссном выборе значений сопротивлений резисторов R1 и R2 обеспечивается 1 В падение напряжения в контуре на R1 и начальная погрешность по постоянному току 0,1%. Для данного стандартного значения падения напряжения в схеме используется только три программируемых значения сопротивления R1. Восемь значений сопротивления R2 обеспечивают все требуемые возможности управления преобразователем. Кроме того, резисторы и источник опорного напряжения схемы имеют 1%-ные допуски, поэтому до подстройки погрешности преобразования диапазона изменения и сдвига тока могут достигать 2%. Подстройка должна снизить эти погрешности до уровней, предусматриваемых стандартами на токовые контуры.

Подстройка сдвига ОУ A1 может уменьшить погрешность по постоянному току до 0,01% полного диапазона изменения выходного уровня. Остальными погрешностями по постоянному уровню, обусловленными токами смещения входного каскада на полевых транзисторах этого ОУ можно пренебречь. Разработчик может подстраивать схему с помощью потенциометра, крайние выводы которого включены между входами ОУ А1, а средний соединен с выходом схемы. Такая конфигурация позволяет корректировать коэффициент усиления в сторону уменьшения или увеличения, одновременно шунтируя один вход ОУ и разгружая другой. При этом для достижения лучшего разрешения сильная разбалансировка схемы не требуется. Для оптимизации разрешения подстройки разработчик может ограничить ее диапазон с помощью резисторов, включенных последовательно со средним выводом потенциометра.

Стандартный подстроечный потенциометр позволяет снизить погрешность до предельного уровня, который определяется тепловым дрейфом и зависит от сопротивлений резисторов установки коэффициента усиления. Собственный дрейф сопротивления потенциометра невелик, поскольку корректируется лишь небольшая часть диапазона изменения выходного сигнала. Разрешающая способность схемы подстройки при использовании резисторов установки усиления с температурным коэффициентом сопротивления 2,5*10-5/°С ограничивается влиянием температуры окружающей среды и тепловым дрейфом, равным 0,005%/°С.

Калибровка величины сдвига

После подстройки коэффициента усиления, в ходе которой устраняются любые остаточные сдвиги постоянного входного напряжения, воспроизводимые усилителем A1 на выходе схемы преобразователя диапазона изменения токов, пользователь с помощью резистора R4 калибрует величину сдвига преобразования. Однако остается еще температурный коэффициент источника опорного напряжения, равный 2,5*10-5/°С. К счастью, он влияет только на одну пятую часть всего диапазона изменения выходного тока. Кроме того, дополнительную погрешность, равную около 2,5*10-5 от всего диапазона, вносит собственный шум этого источника. Тем не менее полная погрешность преобразователя после подстройки сопоставима с 0,1%-ной погрешностью обычной эксплуатационной калибровки. Наконец, схемы независимой регулировки сдвига и диапазона изменения тока в приемнике токового контура обеспечивают окончательную подстройку на соответствие эксплуатационным требованиям.

Полоса пропускания усилителя тока получается не такой большой, как это может показаться на первый взгляд. К счастью, ширина полосы не оказывает значительного влияния на погрешности токового контура, поскольку обычно по нему передаются низкочастотные сигналы. Более того, часто параллельно резистору R1 включается конденсатор, снижающий коэффициент передачи тока на высоких частотах до единицы и устраняющий высокочастотный шум.

Поскольку в цепь отрицательной обратной связи усилителя A1 включен эмиттерный повторитель, полоса этой схемы, как можно полагать, будет равна полной полосе единичного усиления fc ОУ. Однако второй контур положительной обратной связи (ОС), содержащий делитель RZ/ZL, сокращает ширину полосы преобразователя. Сопротивление резистора R1 не влияет на этот параметр, поскольку сигнал с выхода делителя поступает на неинвертирующий вход ОУ A1 без ослабления резистором R1.

Результирующий коэффициент ОС усилителя тока равен сумме единичного коэффициента отрицательной ОС и определяемого резистивным делителем коэффициента положительной обратной связи. Последний зависит от сопротивлений, величины которых выбираются с учетом противоречивых требований к падению напряжения в контуре и погрешности сдвига, а также определяются сопротивлением нагрузки. Для 1-В падения напряжения в контуре и обычного 5 В полного диапазона изменения напряжения на нагрузке результирующее значение коэффициента положительной ОС составит около 0,2. В таком случае полоса пропускания усилителя тока станет равна 0,2fc, или 200 кГц, вместо 1-МГц максимальной полосы типичного ОУ. Тем не менее данное значение ширины полосы будет соответствовать параметрам контуров управления производственными процессами и условиям испытаний металлических конструкций на усталость.

Из 30 возможных конфигураций 12 предусматривают преобразование с ослаблением и устранением сдвига. Преобразователь с ослаблением представляет собой зеркальное отображение схемы усиления тока (рис.2). Поменяв местами вход и выход, усилитель тока можно использовать в качестве аттенюатора. Цепь ОС работает как и в исходной схеме, поддерживая равенство напряжений на резисторах R1 и R2. Однако в этом случае источник XTR101 подключается к другой точке преобразователя и только часть его тока поступает на выход через резистор R1.


Входной

Выходной

R1

R2

R4

0-5

0-1

1000

249

0-20

0-1

1000

52,3

0-20

0-5

200

66,5

1-5

0-1

806

267

10k

4-20

0-1

806

53,6

10k

4-20

0-5

162

73,2

2k

4-20

1-5

200

66,5

10-50

0-1

806

20,5

10k

10-50

0-5

162

22,6

2k

10-50

0-20

40,2

40,2

499

10-50

1-5

200

22,1

10-50

4-20

49,9

33,2

Рис.2. Из 30 возможных типов преобразователей 12 выполняют операции ослабления и устранения сдвига. Эта схема представляет собой зеркальное отображение схемы с усилением, у которой вход и выход поменяли местами.

Схему формирования выходного тока дополняет источник тока коррекции сдвига на ОУ А2. Если сопротивления резисторов R1 и R2 обеспечивают 1 В падение напряжения в контуре, то влияние сдвига ОУ OPA445 с учетом подстройки снижается до 0,01% полного диапазона изменения выходного сигнала аналогично случаю преобразования с усилением. Несмотря на то что данная схема ослабляет входной сигнал, относительная величина сдвига не увеличивается, поскольку оба резистора установки коэффциента усиления ослабляют и ток сдвига V0S/(R1 + R2).

Сопротивления резисторов, указанные на рис.2, соответствуют преобразованию диапазона изменения тока 4—20 мА источника XTR101 в диапазон 0—5 мА. В таблице на этом рисунке приведены значения сопротивлений для 11 других типов преобразований. При 1%-ных допусках на номиналы резисторов и источника опорного напряжения начальные значения погрешности диапазона изменения и сдвига тока могут достигать 2%. Процедура подстройки, рассмотренная на примере преобразователя с усилением, снижает погрешность до 0,1%. Регулировка системы завершается подстройкой схемы приемника.

Полоса пропускания преобразователя с ослаблением совпадает с полосой усиливающей схемы.

Положительная ОС, типичное значение коэффициента которой составляет 0,8, а максимальное — 0,86, «противодействует» в ОУ A1 отрицательной единичной обратной связи. Различие в значениях коэффициентов ОС приводит к уменьшению полосы преобразователя до 140 кГц для типичного 1 МГц ОУ. Включение параллельно резистору R2 шумопонижающего конденсатора еще больше сократит полосу схемы.

Снижение уровня шума

Шунтирующий конденсатор в схеме преобразователя с усилением уменьшает уровень шума путем снижения усиления на высоких частотах до единицы. Однако в преобразователе с ослаблением такой эффект отсутствует, поскольку шунтирующий конденсатор в этой схеме направляет высокочастотные компоненты сигнала на транзистор Q1, а не на выход с единичным усилением. В результате фильтрующие свойства в области спада частотной характеристики остаются неизменными.

Смещение в этих двух преобразователях с устранением сдвига, необходимое для обработки положительных входных напряжений наряду с отрицательными выходными напряжениями источника тока А2, формируется двухполярным источником питания. Высоковольтные ОУ OPA445 работают с общим положительным напряжением питания до 45 В. Кроме того, напряжение, превышающее предельные уровни для ОУ общего применения, соответствует параметрам передатчиков. Низковольтные приборы требуют отдельных источников положительного напряжения питания для преобразователя и передатчика и дополнительной схемы защиты преобразователя. Вызванные перегрузками отказы могут возникать в тех случаях, когда напряжение питания передатчика превышает уровень положительного напряжения питания преобразователя. Эта разность напряжений будет воздействовать на вход преобразователя, если разрывается общий провод контура.

Такая ситуация обычно возникает в ходе ремонта или обслуживания, связанных с коммутацией проводки. При разомкнутом общем проводе выходное напряжение передатчика, превышающее уровень положительного напряжения питания, может попадать на входы обоих ОУ. Для предотвращения отказов вход преобразователя необходимо подключить через стабилитрон и диод соответственно к источникам отрицательного и положительного напряжений питания.

Преобразование диапазона изменения тока с добавлением сдвига выполняется, посуществу, аналогичным методом (рис.3). Однако в этом случае используется другой источник тока, работающий от однополярного источника питания. Кроме того, если в схеме с устранением сдвига опорное напряжение положительно, то в преобразователе с добавлением сдвига применяются источники отрицательного опорного напряжения, выбор которых ограничен. Поэтому добавление сдвига выполняется с помощью плавающего потенциала стабилитрона DZ1 в цепи ОС источника тока А2 с пониженной чувствительностью к изменениям нагрузки.


Входной

Выходной

R1

R2

R4

0-1

1-5

1000

332

1240

0-1

4-20

1000

66,5

309

0-1

10-50

1000

25,5

124

0-5

4-20

200

90,9

309

0-5

10-50

200

28,7

124

0-20

10-50

499

49,9

124

1-5

4-20

200

66,5

1-5

10-50

200

22,6

4-20

10-50

49,9

33,2

Рис.3. Преобразование диапазона изменения тока с добавлением сдвига выполняется, посуществу, тем же способом, что и в схемах с исключением сдвига. Преобразователь с добавлением сдвига, однако, использует другой источник тока, которому не требуется двухполярное напряжение питания. Такая схема содержит источник тока с независимым смещением и стабилитроны для изменения уровня постоянного напряжения.

Стабилитрон (как двухполюсник) может служить источником как положительного, так и отрицательного опорного напряжения, но ему, однако, необходим источник тока смещения. Резистивная цепь смещения слишком чувствительна к изменениям напряжения на нагрузке, поэтому в данной схеме используется источник тока на полевом транзисторе с pn-переходом J1. Такая конфигурация формирует стабильный ток смещения, если напряжение сток-затвор превышает напряжение отсечки. В этом случае независимое от величины нагрузки напряжение между входом и выходом ОУ А2 повторяется на резисторе R4 и формирует стабильный ток коррекции сдвига.

Изменение уровня постоянного напряжения, которое позволяет преобразователю с добавлением сдвига работать от источника питания токового контура, соответствует и требованиям к напряжению на полевом транзисторе. Выходной сигнал ОУ А2 больше не принимает отрицательных значений, и преобразователь может функционировать с однополярным источником питания.

Ослабление с добавлением сдвига

Оставшиеся шесть из 30 типов преобразований выполняет схема ослабления с добавлением сдвига по току (рис.4). Все особенности этого преобразователя — цепь ОС, программирование параметров, питание от контурного напряжения и источники погрешностей — аналогичны рассмотренным выше. Ослабление тока выполняет как и прежде ОУ A1 в соответствии с рис.2. Схема на ОУ А2 аналогично рис.3 обеспечивает добавление тока смещения.


Входной

Выходной

R1

R2

R4

0-5

1-5

249

1000

1240

0-20

1-5

249

61,9

1240

0-20

4-20

61,9

249

309

4-20

1-5

200

66,5

10-50

1-5

200

22,6

10-50

4-20

49,9

33,2

Рис.4. В преобразователе с ослаблением и добавлением сдвига объединены схема ослабления, показанная на рис.2, и источник тока с однополярным питанием, изображенный на рис.3.

Очевидно, что еще большую эффективность в отношении снабжения запасными частями будут иметь конструктивные решения, в которых предусматривается возможность быстрой установки или удаления стабилитронов, а также выполнение других несложных коммутационных операций. В результате функции четырех преобразователей выполняла бы одна схема усилителя-аттенюатора и одна схема сумматора-вычитателя.

Об авторе

Джералд Грейм — руководитель группы линейных интегральных схем в компании Burr-Brown Corp., где он работает на различных должностях в течение 23 лет. Ученые степени магистра получил в Станфордском, а бакалавра — в Аризонском университетах.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.25 (804), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.44

Electronic Design No.26 November 23, 1988 VNU Business Publication Inc.

Jerald Graeme. Four standard circuits convert current-loop scales, ED, 1988, No.26, pp.107—112.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Согласование контуров





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Burr-Brown/D19890421Elc013.shtml