А. Андрусевич
Новости Электроники 1, 2009
В настоящее время для передачи информации, как правило, используются цифровые интерфейсы. Это могут быть различные модификации стандартов RS-232 и RS-485, сети CAN и Ethernet или переживающие настоящий бум беспроводные интерфейсы (ZigBee, Bluetooth, WiFi). Тем не менее, все еще сохраняется интерес и к традиционным аналоговым каналам. Особенно это касается систем промышленной автоматики, сбора данных, различных датчиков. В статье описана ИС MAX5661 компании Maxim Integrated Products, предназначенная для формирования сигналов в аналоговых каналах передачи данных.
Несмотря на широчайшее распространение цифровых сетей, аналоговые каналы передачи данных все еще используются. Этому есть несколько причин.
В системах промышленной автоматики существует большое количество разработанных и изготовленных много лет назад устройств, использующих аналоговые каналы передачи данных. Это могут быть датчики, исполнительные устройства (клапаны, насосы), а также устройства регистрации (самописцы). Замена этого оборудования идет медленно и требует очень больших капиталовложений. Кроме того, перевод какого-либо предприятия целиком на цифровые сети означает одномоментную замену практически всего оборудования и информационных кабельных сетей. Такая масштабная реконструкция требует не только огромных средств, но и остановки производственного процесса, что во многих случаях недопустимо. Поэтому при создании или модернизации автоматических систем управления приходится использовать аналоговые каналы передачи данных для получения информации от датчиков и передачи управления на исполнительные механизмы.
Преимущества
Основным преимуществом использования в качестве интерфейса передачи данных от датчиков токовой петли 4...20 мА является использование всего двух проводов для соединения с системой сбора данных. Кроме этого, в отличие от цифровых интерфейсов, не требуется дополнительных аппаратных и программных средств для реализации стандартного протокола обмена данными или дополнительной настройки (например, программирования адреса) при инсталляции.
Ток или напряжение
Существуют аналоговые каналы передачи данных по току или по напряжению. С точки зрения помехозащищенности передача тока более предпочтительна. Однако на стороне измерения, как правило, требуется установка дополнительного прецизионного резистора (для преобразования тока в напряжение), который вносит дополнительную погрешность. Этот низкоомный резистор также может быть легко поврежден при коротком замыкании и/или отсутствии схемы ограничения тока. При передаче напряжения измерительный вход обычно высокоомный и может быть легко защищен от перенапряжения. Он не требует дополнительных элементов, вносящих погрешность, однако погрешность могут вносить соединительные провода, обладающие сопротивлением. Часть напряжения на них, увы, теряется, и напряжение на измерительной части оказывается меньше, чем на передающей. Для того чтобы этого избежать, используется схема подключения, изображенная на рисунке 1. Она содержит два дополнительных провода и позволяет скомпенсировать паразитное падение напряжения.
Рис. 1. Четырехпроводная схема компенсации сопротивления кабелей
В то же время использование аналоговых интерфейсов с интеллектуальными датчиками (в которые встраиваются микроконтроллеры для предварительной обработки сигнала) или исполнительными устройствами с аналоговым интерфейсом, управление которыми должен осуществлять цифровой контроллер, требует применения цифро-аналогового преобразователя. Учитывая, что в различных случаях могут использоваться как токовые, так и потенциальные интерфейсы, для упрощения схемы и уменьшения ее стоимости желательно выбирать микросхему ЦАП, способную без дополнительных элементов обеспечивать оба типа выходных сигналов.
Такова микросхема специализированного шестнадцатиразрядного цифро-аналогового преобразователя MAX5661 (см. рис. 2).
Рис. 2. Блок-схема включения ИС MAX5661
Возможности микросхемы резко выделяют ее среди аналогичных устройств. Стоит отметить, что она способна формировать как токовые сигналы в диапазоне 0...20 / 4...20 мА, так и потенциальные (в том числе по 4-проводной схеме с компенсацией сопротивления соединительных проводов) с амплитудой до ±10 В, причем начальное смещение нуля не превышает 0,1%, а полная погрешность составляет не более 0,3% от полной шкалы. Передаточная характеристика ЦАП имеет гарантированную монотонность, что крайне важно для замкнутых регуляторов.
При конструировании микросхемы было принято решение использовать внешний источник опорного напряжения 4,096 В. Это связано с тем, что при работе ЦАП температура кристалла может значительно изменяться, что может оказать существенное влияние на параметры встроенного ИОН и значительно снизить точность системы в целом. Такое изменение температуры особенно сильно проявляется на токовом выходе при высоком напряжении питания (которое может составлять до 40 В) и малом сопротивлении нагрузки, поскольку в микросхему встроен выходной транзистор преобразователя «напряжение-ток». При малой разрядности ЦАП это не имело бы большого значения, однако для 16-битных систем перенос источника опорного напряжения за пределы основного кристалла может значительно улучшить точностные характеристики.
Еще одним достоинством описываемой ИС можно считать использование для связи с управляющим микроконтроллером высокоскоростного (до 10 МГц) последовательного SPI/QSPI/Microwire-интерфейса, причем возможно последовательное включение нескольких микросхем (Daisy Chaining). Имеется выход FAULT, который становится активным при коротком замыкании выхода напряжения или обрыве токовой петли. Информация об аварийном состоянии выходов также доступна и по последовательному интерфейсу. Конфигурировать выходные каскады микросхемы можно программно или с помощью специальных входов, которые соединяются с «землей» или с напряжением питания (+5 В ном.).
Микросхема MAX5661 также имеет два входа для асинхронного управления. Один из них - CLR - позволяет либо обнулить ЦАП, либо загрузить предустановленное значение (определяется программно). Другой - LDAC - позволяет загрузить значение входного регистра данных. Оба входа могут быть использованы для одновременного асинхронного управления несколькими микросхемами.
Заключение
Аналоговая передача информации еще сохранила популярность в традиционно консервативной индустриальной области применения. Это подтверждается тем, что производители микросхем продолжают предлагать новые интегральные решения для ее реализации.
Купить MAX5661 на РадиоЛоцман.Цены
