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

Jak balansować pomiędzy sprawnością a czasem stabilizacji w układach DAC

ghost666 18 Maj 2018 08:16 804 0
  • W systemach automatyki przemysłowej chętnie stosuje się elastyczne i modułowe układy do realizacji wyjścia analogowego. Jednym z rodzajów takiego wyjścia przez pętla prądowa 4-20 mA. Na rysunku 1 zaprezentowano implementację tego rodzaju wyjścia, w której wykorzystano przetwornicę buck/boost w prostej pętli sprzężenia zwrotnego. Jej zadaniem jest dostosowanie poziomu napięcia zasilania wyjścia do konkretnych wymagań w danym momencie, które wynikają z zadanego prądu wyjściowego.

    Dzięki takiemu rozwiązaniu układy z wyjściem prądowym zużywają mniej energii i produkują mniej ciepła, co jest istotne w wysoce zintegrowanych modułach przemysłowych. Niestety taka architektura wiąże się z wydłużeniem czasu stabilizacji prądu na wyjściu. W poniższym artykule opisano jednak metodę, która pozwala na uniknięcie tego.

    Jak balansować pomiędzy sprawnością a czasem stabilizacji w układach DAC
    Rys.1. Przetwornik napięcie-prąd z przetwornicą buck/boost.


    Załóżmy, przykładowo, że obciążenie układu to dokładnie 1 kΩ. W momencie, gdy kod podany na przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) nakazuje zmianę prądu wyjściowego z 4 mA na pełne 24 mA, przetwornica zmienia napięcia z 7 V do około 27 V z uwagi na to, że system ten jest adaptywny. Jako że przetwornica do swojego działania musi naładować sporą pojemność kondensatora magazynującego energię, czas stabilizacji napięcia na wyjściu takiego układu wynieść może kilka milisekund, jak pokazano na rysunku 2. W większości układów tego rodzaju czas stabilizacji wyjścia zdominowany jest przez czas stabilizacji przetwornicy, niestety w wielu aplikacjach konieczne jest szybsze działanie niż zaprezentowane na poniższym oscylogramie.

    Jak balansować pomiędzy sprawnością a czasem stabilizacji w układach DAC
    Rys.3. Czas stabilizacji w zwykłym systemie adaptywnym.


    Aby przyspieszyć pracę układu wyjściowego, wykorzystać można dedykowany przetwornik, taki jak DAC8775 firmy Texas Instruments. Jest to czterokanałowy DAC o rozdzielczości 16 bit dedykowany do pracy w pętli prądowej 4-20 mA. Układ ten posiada zintegrowany konwerter analogowo-cyfrowy (ADC) do pomiaru obciążenia i konfiguracji przetwornicy buck/boost do zadanego poziomu.





    Opisany jako "Auto Learn" blok na rysunku 3 to wysokiego poziomu reprezentacja tego systemu. Przetwornica buck/boost sterowana jest sygnałem wynikającym z obliczeń i danych ADC, tj. szacunku impedancji obciążenia. W momencie, gdy kody DAC przekroczą 25% pełnego wyjścia moduł ten uaktywnia się i w tle analizuje impedancję obciążenia i przesyła wyznaczoną wartość do przetwornicy. Dzięki temu stabilizuje ona napięcie zasilania na poziomie wymaganym przez układ do pracy z maksymalnym prądem dla danego obciążenia. Dzięki temu czas stabilizacji przetwornicy przestaje grać rolę w stabilizacji prądu wyjściowego, co oznacza, że szybkość stabilizacji wyjścia uzależniona jest jedynie od szybkości przetwornika DAC.

    Jak balansować pomiędzy sprawnością a czasem stabilizacji w układach DAC
    Rys.3. Wykorzystanie zintegrowanego przetwornika ADC w DAC8775 do pomiaru obciążenia.


    Wracając do naszego przykładu - przy obciążeniu 1 kΩ moduł wbudowany w DAC, po przekroczeniu 25% skali, wymusi na przetwornicy stabilizację 27 V. Dzięki temu uzyskujemy optymalny pobór mocy, ale bez poświęcania szybkości stabilizacji układu. Jak pokazano na rysunku 4 układ stabilizuje się w czasie około 10 µs dla wszystkich kolejnych zmian wartości DACa. To istotna zmiana w szybkości działania wyjścia prądowego.

    Jak balansować pomiędzy sprawnością a czasem stabilizacji w układach DAC
    Rys.4. Czas stabilizacji w trybie automatycznego strojenia.


    Inną zaletą takiej topologii jest fakt, że układ taki jest o wiele bardziej elastyczny. Projektanci już nie muszą optymalizować go pod kątem różnych obciążeń - zaprezentowana architektura pozwala na automatyczną optymalizację dla różnych obciążeń i dostosowywanie napięcia zasilania.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2017/05/05/how-to-balance-efficiency-and-settling-time-with-highly-integrated-dacs


    Fajne!