Микропроцессорная техника систем автоматизации
Интерфейс «токовая петля»
жүктеу/скачать 4,68 Mb.
|
mikroprocessornaya-tehnika-sistem-avtomatizacii
| Интерфейс «токовая петля». Интерфейс «токовая петля» ис- пользуется для передачи информации с 1950-х гг. Первоначально в нем использовался ток 60 мА; позже, с 1962 г., получил распро- странение интерфейс с током 20 мА. В 1980-х гг. начала широко применяться «токовая петля» 4–20 мА в разнообразном технологи- ческом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.), и в на- стоящее время в новом оборудовании она практически не при- меняется.
В передатчике «токовой петли» используется не источник напря- жения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкабеля, сопротивления нагрузки Rн и ЭДС индуктивной помехи Rинд (рис. 71), а также от напряжения питания источника тока Eп (рис. 72, 73). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы. Рис. 71. Принцип действия «токовой петли» Рис. 72. Вариант построения аналоговой «токовой петли» со встроенным в передатчик источником питания Рис. 73. Вариант построения аналоговой «токовой петли» с выносным источником питания Емкостная наводка Eемк, ЭДС которой приложена не последова- тельно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле» и для ее подавления следует ис- пользовать экранирование. В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индук- тивную и синфазную помеху. На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления Rн. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В использу- ют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответ- ственно. Основным недостатком «токовой петли» является ее принципи- ально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скабеля от источника тока. Например, при ти- повой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость ка- беля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответст- вует скорости передачи около 9 кбит/с. Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: циф- ровой и аналоговой. Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к ис- полнительным устройствам. Применение «токовой петли» в дан- ном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапа- зону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05 %). Кроме того, стандарт «токовая петля» под- держивается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации. В варианте 4–20 мА в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (ка- бель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта 0–20 мА, где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания. На рис. 72, 73 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». На рис. 72 используется встроенный незаземлен- ный источник питания Еп, на рис. 73 источник питания – внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зави- симости от поставленной задачи. Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бес- конечно большом коэффициенте усиления операционного усилите- ля (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор Ro равен Vвх Ro , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле I Vвх Ro и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивле- ния нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника опреде- н ляется как IR Rн V . R вх О Достоинством схемы с операционным усилителем является воз- можность калибровки передатчика без подключенного к нему ка- беля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала. Напряжение источника Eп выбирается таким, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопро- тивлениях RO, Rн. Для этого выбирают E I RO Rкабеля Rн Vнас , где Vнас – напряжение насыщения транзистора (1–2 В). Например, при типовых значениях RO Rн 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В. Отметим, что мощность, связанная с избыточным напряжением источника питания по сравнению с рассчитанным значением, будет рассеи- ваться на транзисторе, что особенно существенно для интеграль- ных передатчиков, не имеющих теплоотвода. Цифровая «токовая тепля». Цифровая «токовая петля» исполь- зуется обычно в версии «0–20 мА», так как она реализуется гораздо проще, чем «4–20 мА» (рис. 74). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутрен- ним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 74 при стандартном значении напряжения питания Еп = 24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление RO должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопро- тивление кабеля сечением 0,35 мм2 и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10 % от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3 % от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для прак- тики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме явля- ется источником тока. Рис. 74. Принцип реализации цифровой «токовой петли» Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» может исполь- зоваться для передачи информации нескольким приемникам одно- временно (рис. 75). Рис. 75. Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется. жүктеу/скачать 4,68 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|