Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Mierniki instalacji Metrel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Przemysłowe układy DAC z wyjściem trójprzewodowym

ghost666 13 Sie 2014 20:52 3282 0
  • Poniższy schemat pokazuje trójprzewodowy moduł wyjściowy, wykorzystujący dwukanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) firmy Texas Instruments - DAC8562. W zaprezentowanym układzie przetwornik steruje modułami wyjściowymi - napięciowym i prądowym, opartymi o wysokonapięciowe wzmacniacze operacyjne OPA192, mogące być zasilane napięciem do 36 V.

    Przemysłowe układy DAC z wyjściem trójprzewodowym


    Wyjście prądowe skonstruowane jest jako dwustopniowy konwerter napięcie-prąd. Drugi stopień tego modułu, składający się z wzmacniacza oznaczonego A2, tranzystora polowego (MOSFET) Q2 oraz rezystora RB, dostarcza prąd do wyjścia układu i dalej, do obciążenia. Wzmacniacz A2 steruje prądem wyjściowym poprzez ujemne sprzężenie zwrotne, mierząc spadek napięcia na oporniku RB na wejściu odwracającym op-ampa.

    Jeśli wykorzystany zostałby tylko ten stopień to szum czy zakłócenia przełączania, obecne w zasilaniu dodatmu modułu miałyby bezpośredni wpływ na zakłócenia obecne w sygnale wyjściowym. Związane jest to z faktem iż napięcie na wejściu nieodwracającym nie zmienia się proporcjonalnie do napięcia po wysokiej stronie tranzystora.

    Aby uniknąć tego problemu dodaje się dodatkowy stopień pomiędzy opisanym powyżej stopniem a wyjściem z DAC. Moduł ten tworzy zwierciadło prądowe, które zwiększa odporność układu na szum pochodzący z linii zasilania dodatniego. Pierwszy stopień układu skonstruowany jest w oparciu o wzmacniacz operacyjny A1, tranzystor MOSFET Q1 oraz opornik RSET, tworzący obciążenie.

    W tym module A1 wykorzystuje ujemne sprzężenie zwrotne do sterowania bramką tranzystora polowego Q1. Stabilizuje to prąd płynący przez tego MOSFETa, tak że na oporniku RSET tworzy się pewna różnica potencjałów. Napięcie na 'wysokim' terminalu opornika RSET jest równe napięciu na nieodwracającym wejściu wzmacniacza A1. Prąd płynący przez opornik RA wytwarza pewien spadek napięcia w linii zasilającej i w konsekwencji na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego A2, sterującego drugim stopniem modułu wyjścia prądowego.

    Stosunek rezystancji oporników RA i RB wyznacza prąd płynący przez rezystor RSET w pierwszym stopniu wyjścia prądowego, sterującego zewnętrznym obciążeniem. Jako że cały prąd płynący przez pierwszy stopień płynie do masy, a nie do obciążenia, wzmocnienie prądowe skonfigurowane oporami rezystorów RA i RB ma bezpośredni wpływ na efektywność systemu.

    Jeśli jesteście zainteresowani dokładniejszymi detalami projektowania systemów konwersji napięcie-prąd, zajrzeć możecie do Referencyjnego projektu Texas Instruments w dokumencie http://www.ti.com/hpa-pa-opamp-thehub-20140523-tipd102-tidesign-en TIPD102, dostępnym na stronie TI. W dokumencie tym znajduje się pełna teoria działania takiego systemu, opis doboru elementów, kryteria stabilności, modyfikacje, sposób projektowania płytki drukowanej oraz opomiarowania gotowego systemu.





    Wyjście napięciowe w pokazanym powyżej systemie jest o wiele łatwiejsze do zrozumienia, w porównaniu do wyjścia prądowego. Wzmacniacz operacyjny oznaczony A3 w tym module spełnia rolę wzmacniacza sumującego o lekko zmienionej konfiguracji. Oporniki RFB oraz RG1 kontrolują wzmocnienie wyjścia przetwornika DAC podłączonego do wejścia nieodwracającego, a oporniki RFB oraz RG konfigurują offset napięcia wyjściowego, będący przeskalowanym napięciem odniesienia przetwornika cyfrowo-analogowego.

    Przy odpowiednich wartościach oporników w systemie, ten układ może współpracować z większością komercyjnie dostępnych przetworników DAC i pracować w większości przyjętych w przemyśle systemach wyjść analogowych - 0-5 V, 0-10 V, ±5 V oraz ±10 V. Jeśli chcecie dowiedzieć się więcej na temat wyjść analogowych w systemach przemysłowych polecam zaznajomienie się z dokumentem oznaczonym http://www.ti.com/hpa-pa-opamp-thehub-20140523-tipd125-tidesign-en TIPD125, dostępnym na stronach Texas Instruments.

    Przemysłowe układy DAC z wyjściem trójprzewodowym


    W latach '80 XX wieku, firma Texas Instruments wprowadziła do swojej oferty serię układów oznaczonych prefiksem XTR, które uprościć miały projektowanie wyjść prądowych w systemach przemysłowych, poprzez integrację większości podzespołów potrzebnych do budowy konwertera napięcie-prąd, podłączonego do standardowego wyjścia przetwornika DAC. Powyższy schemat pokazuje układ XTR111, będący precyzyjnym konwerterem napięcie-prąd.

    Nowa rodzina przetworników cyfrowo-analogowych DAC8760 także zaprojektowana została pod kątem uproszczenia budowy systemów przemysłowych. Układy te integrują w swojej strukturze stopnie wyjścia prądowego oraz napięciowego, a także przetwornik DAC i stabilizator napięcia odniesienia, wszystko przy zapewnieniu imponującej dokładności i niezawodności.

    Skoro omówiliśmy już zagadnienie konstrukcji wyjścia systemu przemysłowego wyposażonego w moduły wyjścia prądowego i napięciowego przyjrzyjmy się zagadnieniu zabezpieczenia wyjść z tych układów przed niebezpiecznymi przepięciami elektrycznymi, które mogą spowodować ich uszkodzenie.

    Rozpocznijmy od przedstawienia kilku przykładów tego przed czym w ogóle chcemy zabezpieczyć nasz system:

    * Niektóre systemy instalowane lub kalibrowane są w środowisku które nie jest zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi mogą zostać przezeń uszkodzone
    * Przemysłowe systemy kontrolno-pomiarowe często są bardzo duże, rozciągając swoje okablowanie na bardzo dużym dystansie, a także mogą być narażone na zagrożenia naturalne, takie jak wyładowania atmosferyczne.
    * Przepięcia wynikające z przełączania dużych prądów mogą sprzęgać się pojemnościowo z systemem.

    Przepięcia przed którymi chcemy zabezpieczyć wyjścia analogowe naszego układu mają bardzo odmienną naturę od sygnałów płynących nimi normalnie. Sygnały wyjściowe są niskonapięciowe, nie przekraczają 24 V, a ich częstotliwość jest zazwyczaj nie większa niż 10 kHz. Z kolei przepięcia pojawiające się czasami na wyjściu układu mają napięcia dochodzące do 15 kV i charakteryzują się bardzo wysoką częstotliwością, będąc impulsami krótszymi niż 100 ns. Układ zabezpieczający może wykorzystać różnicę pomiędzy tymi sygnałami, tak aby móc zabezpieczać układ bez negatywnego wpływu na sygnał wyjściowy z systemu.



    Tłumienie impulsuOdprowadzanie energii
    * Metoda ta wykorzystuje elementy pasywne (oporniki, kondensatory, koraliki ferrytowe) do tłumienia nagłych zmian napięcia oraz w celu ograniczenia płynącego prądu.
    * Stopień ochrony zależy od możliwości wejścia wytrzymania sygnałów o różnej amplitudzie, częstotliwości i kształcie.
    * Spadki napięcia na elementach wejściowych pogarszają dokładność stałoprądową.
    * Pojemność wejściowa zawęża pasmo układu.
    * Metoda ta używa elementów aktywnych - transile, diody Schottkiego itp.
    * Elementy te ograniczają napięcie do ustalonego poziomu i wymuszają przepływ prądu poza układem scalonym.
    * Układy te nie ograniczają prądu.
    * Pojemności pasożytnicze, upływy prądu oraz czasy odpowiedzi tych elementów komplikują projekt systemu.


    Tłumienie i odprowadzanie sygnałów z dala od chronionego układu może zostać wykorzystane do ochrony przed sygnałąmi o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu. Poniższy schemat prezentuje system zabezpieczeń jednokanałowego przetwornika DAC (w tej roli układ DAC8760 - przetwornik produkcji firmy Texas Instruments o rozdzielczości 16 bitów) skonfigurowanego jako wyjście prądowe, pracujące w pętli prądowej 4-20 mA.

    Przemysłowe układy DAC z wyjściem trójprzewodowym


    Tłumienie przepięć bazuje na pasywnych elementach charakteryzujących się zależnymi od częstotliwości parametrami. Elementami takimi są na przykład koraliki ferrytowe i kondensatory, które służą do tłumienia sygnałów o wysokiej częstotliwości. Na powyższym schemacie zobaczyć można kondensatory o pojemności 100 nF podłączone do każdego z terminali wejściowych. Ich zadaniem jest tłumienie impulsów o wysokiej częstotliwości.

    Dodatkowo w torze sygnałowym umieszczone są, pomiędzy każdym stopniem wyjściowym, elementy ograniczające prąd płynący przez ten tor. Dla wyjścia prądowego elementem ograniczającym prąd jest opornik, podobnie jak dla wewnętrznych połączeń w module wyjścia napięciowego. Z kolei ostatni stopień wyjścia napięciowego oddzielony został koralikiem ferrytowym, już poza pętlą sprzężenia zwrotnego, tak aby zachować dokładność stałoprądową układu przy maksymalnej ochronie przed wyłądowaniami o wysokiej częstotliwości.

    Dodatkowo w układzie zastosowano układy diodowe, pozwalające na odprowadzanie sygnałów o zbyt wysokim napięci poza tor sygnałowy. Energia impulsu o wysokim napięciu odprowadzana może być do masy, wykorzystując transil, lub do linii zasilających, z wykorzystaniem diod Schottkiego.

    Więcej na temat wykorzystania transili do zabezpieczania układów elektronicznych przeczytać można w artykule Arta Kaya (dostępnym na elektrodzie https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=13732233 pod tym linkiem). W artykule opisano szczegółowo parametry transili i sposób doboru tych elementów.

    Pokrótce mówiać transil dobrać można na podstawie następujących jego parametrów:

    Napięcie pracy: Maksymalne napięcie przy którym transil nie zacznie przewodzić dużego prądu. Wartość ta powinna być na tyle duża aby zapewnić poprawną pracę systemu, bez wpływania transila na sygnał wyjściowy.

    Napięcie przebicia: Napięcie przy którym transil zaczyna przewodzić. Musi być ono na tyle małe aby przepięcie ograniczone było do wartości napięcia zasilającego układ w danym systemie.

    Moc: Kiedy transil podlega przebiciu lawinowemu, przewodzi on spory prąd. Należy dobrać odpowiednią moc tego elementu, zależnie od warunków pracy.

    System zaprezentowany powyżej zawiera w swojej konstrukcji także diody Schottkiego, któe pomagają utrzymać napięcie w torze sygnałowym na poziomie nie przekraczającym napięcie zasilania. Warto je stosować z dwóch powodów:

    * Napięcie przebicia transila rzadko kiedy jest takie samo jak napięcie zasilania
    * Napięcie przebicia transila wzrastać będzie wraz z wzrostem wartości prądu płynącego przezeń

    Diody Schottkiego charakteryzują się niskim spadkiem napięcia na diodzie, jest to niezwykle istotne aby diody wykorzystane do zabezpieczania układu charakteryzowały się niskim spadkiem dla dużych prądów płynących przez diodę.

    Układ zaprezentowany na powyższym schemacie opracowany został na podstawie dokumentu http://www.ti.com/hpa-pa-dac-thehub-20140812-tipd153-tidesigns-en TIPD153, dostępnego na stronach Texas Istruments. Dotyczy on schematów zabezpieczania wyjść układu DAC8760 zgodnie z normą IEC6100-4. W dokumencie tym znajdują się dokładniejsze wyznaczniki zabezpieczania, sugestie doboru elementów itp.

    Źródła:

    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...ac&HQS=hpa-pa-dac-thehub-20140812-20140523-en
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archi...al-dacs-protecting-3-wire-analog-outputs.aspx


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Mierniki instalacji Metrel