Диференціально-струмові структури

Впровадження ІВС в різноманітні виробничо-технологічні комплекси багатьох галузей людської діяльності породжує актуальність питання розробки, вдосконалення та проектування аналогових інтерфейсів, як основної складової комп’ютеризованих комплексів. Підвищення ефективності застосування автоматизованих систем централізованого типу на сьогоднішній день пов’язано із процесом інтелектуалізації мереж датчиків та виконавчих механізмів. Така інтелектуалізація може бути реалізована або за допомогою інтелектуальних датчиків, або за допомогою інтелектуальних інтерфейсів.

Під інтелектуальним датчиком розуміють об’єднання на одному чипі первинного вимірювального перетворювача та мікроелектронного процесора, що дозволяє підвищити точність перетворення вхідної фізичної величини (ФВ) за рахунок лінеаризації характеристик датчиків та компенсації його температурної складової похибки за допомогою методу допоміжних вимірювань. Корекція похибки виконується наступним чином: спочатку за допомогою додаткового ВП відбувається вимірювання дестабілізуючої ФВ (температури), далі на основі отриманого результату обчислюється поправка за відомими функціями впливу. Якщо корекція відбувається у цифровій формі, то скорегований результат надходить на вихідний ЦАП, який формує при невеликих відстанях до об’єкту вимірювань (метр або декілька метрів) інтерфейсний аналоговий цифровий сигнал у вигляді напруги 0…5 В, при відстані до об’єкта до ста метрів – сигнал у вигляді струму 4…20 мА, та при великих відстанях – у вигляді частотного сигналу 1…6 кГц.

Коригувальний вплив також може бути внесений в аналоговій формі у ВП основної ФВ. Така корекція може бути виконана шляхом компенсації адитивної і мультиплікативної складових похибки ВП основною ФВ за допомогою ЦАП.

Крім того, для інтелектуальних датчиків є можливим варіант обміну цифровою інформацією із використанням стандартної мережі із HART-протоколом, цифрові та аналогові сигнали у якій передаються однією лінією зв’язку по одній парі дротів, шляхом простого накладання на струмову петлю. Недоліки таких систем досить суттєві. Одним із них є фізичні обмеження інтеграції мікроелектронного інтелекту та елементів сенсору. Процес тісної інтеграції потребує поєднання змішаних технологій виготовлення інтегральних схем із виробничою технологією, яка використовується при створенні відповідних датчиків. Несумісність компонентів може бути усунена, але частіше за все такі дії економічно не обґрунтовані, що також є недоліком систем. Також економічні обмеження можуть виявитись при інтелектуалізації мікроелектромеханічних систем. Це пов’язано із необхідністю ізолювання складних цифрових електронних схем цього типу датчиків від забруднюючих речовин з навколишнього простору. Ще одним недоліком є обмеження смуги пропускання аналогових сигналів порядку 10 кГц у зв’язку із необхідністю її розділення із низькочастотним цифровим сигналом. Також HART-протокол будується за топологією типу «зірка», яка не є швидкодіючою, а інші варіанти побудови системи не видаються можливими.

Зазначені вище недоліки відсутні у системі, яка являє собою аналоговий інтерфейс на основі диференціально-струмових структур, які дозволяють на передавальному кінці формувати диференціальні та синфазні сигнали для різного типу інформації, що передається каналом зв’язку. Такий АІ працює із стандартними датчиками та за допомогою універсальних інтелектуальних інтерфейсних блоків забезпечуває велику кількість найбільш корисних властивостей, передбачених стандартами IEEE 1451.2. При цьому аналоговий та цифровий сигнали можуть знаходитись в одній і тій самій смузі частот, яка буде розширена за рахунок більш ефективного розділення цих сигналів на приймальному кінці ВП із деференціально-струмовими входами. Так, наприклад, можна використовувати диференціальні сигнали для передачі аналогової інформації, а синфазні – цифрової.

Структурну схему запропонованого інтерфейсу на основі диференціально-струмових структур наведено на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – Структурна схема інтелектуального аналогового інтерфейсу для багато точкових інформаційно-вимірювальних систем

УСАПП – універсальний синхронно-асинхронний прийомо-передавач;

ОмЕОМ - однокристальна мікро-ЭОМ;

Д – датчик;

БК – блок корекції;

ВП – вимірювальний перетворювач;

Мод – модеми передавальної та приймальної частин;

КДС – кероване джерело струму;

СД – струмове дзеркало;

ДЖ – джерело живлення;

U→f – частотний модулятор;

∑ – суматор;

ДСМ – деференціально-струмовий модулятор;

СРПСН – сумо-різницевий перетворювач струм-напруга;

U_ж – кероване джерело напруги живлення;

МU_П – модулятор джерела напруги живлення;

ФАПЧ – фазовий автопідлаштовувач частоти;

ВФ – відновлюючий фільтр;

ПК – персональний комп’ютер;

АЦП – аналого-цифровий перетворювач;

RS232 – інтерфейс.

Основу цього інтерфейсу становить трипровідний АІ, схему та структурні особливості якого були розглянуті в п. 2.3.1. Його основними структурними елементами є трипровідний канал зв’язку на передавальному кінці якого для живлення резидентної частини використовується струмове дзеркало, в одному з плечей якого включене кероване джерело струму. Він формує вхідний струм струмового дзеркала який надходить до блоку живлення, забезпечуючи тим самим живлення усієї резидентної частини інтерфейсу. При цьому цифрова частина передавальної частини АІ включає одно кристальний мікроконтролер, виконаний за CMOS-технологією, споживання якого не перевищує 1,8 мА за тактової частоти 1 МГц та напруги живлення 5 В. Це дозволяє за допомогою джерела струму, керованого мікроконтролером, за допомогою блоку корекції, забезпечити «сплячий» режим аналогової секції передавальної частини інтерфейсу при включенні живлення, наприклад затримкою включення живлення передавальної частини інтерфейсу на час ініціалізації мікроконтролера та включення керованого джерела струму в режим малого струму для живлення лише його цифрової частини. Це забезпечуватиме знеструмлення аналогової секції передавальної частини АІ доти, доки не надійде команда від провідного пристрою – ПК або HART-комунікатора. Таким чином мережа може бути побудована за архітектурою типу «шина».

Інформаційний сигнал при цьому створюється за допомогою дифереціально-струмового модулятора, поєднаного своїми виходами безпосередньо із каналом зв’язку. Синфазні струми формуються за допомогою розміщеного на передавальному кінці інтерфейсу керованого джерела напруги живлення, який підключається до загального дроту каналу зв’язку.

Розділення диференціальних та синфазних сигналів на приймальному кінці здійснюється за допомогою сумо-різницевого перетворювача струм-напруга, при цьому його вхідна напруга пропорційна різниці струмів та , що протікають в диференціальних лініях каналу зв’язку. Вихідна напруга пропорційне сумі струмів та . Різниця струмів та формується на передавальному кінці інтерфейсу пропорційно інформаційному аналоговому сигналу за допомогою послідовного ланцюга перетворення вихідного сигналу датчика, ВП та частотного модулятора , який формує дві протифазні трикутні напруги, частота яких пропорційна вихідному сигналу датчика. Ці напруги надходять на диференціальні керовані входи диференціально-струмового модулятора, який створює струми та у каналі зв’язку. На приймальному кінці вихідна напруга , що формується за допомогою сумо-різницевого перетворювача струм-напруга, пропорційно різниці струмів та , буде мати трикутну форму та частоту, пропорційну параметру, що вимірюється. Відомо, що у випадку тональної частотної модуляції з індексом частотної модуляції представлення ЧМ-сигнала за допомогою функції Бесселя матиме наступний вигляд

де – табульована функція Бесселя n-го порядку від аргументу ;

– амплітуда несучого коливання;

– частота несучого коливання;

– частота моделюючого коливання.

В розглянутому випадку модулююча функція має трикутну форму, тому аналітичне дослідження ЧМ-сигналу є складною задачею, зважаючи на те, що ЧМ являє по суті нелінійний процес, до якого не застосовується принцип суперпозиції.

Напруга надходить далі на широкосмугову систему ФАПЧ, будову та принцип дії якої буде розглянуто в п. 3.2, яка відслідковує частоти місцевого гетеродину за частотою вхідного сигналу. Це забезпечує зниження порогу завадо захищеності, який притаманний звичайним системам зв’язку з ЧМ, що використовують, як правило синусоїдальний сигнал, який дорівнює 10…13 дБ. Використання у якості місцевого гетеродину ВП напруга-частота з імпульсним зворотнім зв’язком дозволяє відмовитись від традиційного ФНЧ на його вході, за рахунок чого швидкодія системи зростає приблизно в тисячу разів.

Для відновлення форми вимірювального сигналу вихідний сигнал перетворювача напруга-струм з імпульсним зворотнім зв’язком надходить на вхід відновлюю чого фільтру, який виконаний на основі ітераційних інтегруючих перетворювачів (ІІП), що забезпечує високу точність та швидкодію відновлення вихідного сигналу.

Цифрова інформація передається тим самим каналом зв’язку за допомогою стандартних модемів відповідно до стандарту BELL 202 в напівдуплексній формі, яка дозволяє системі керування отримати від польового пристрою 2…4 цифрових повідомлення в секунду. При цьому аналогові вхідні сигнали модему, розміщеного на передавальному кінці інтерфейсу, формуються за допомогою суматора, який сумує напруги, пропорційні частині струмів та , збалансовані за диференціальною складовою, які формуються за допомогою диференціально-струмового модулятора. Вихідний аналоговий сигнал модему передавальної частини надходить на керуючий вхід керованого джерела струму, викликаючи синфазні зміни частини струмів та за допомогою струмового дзеркала. Ці зміни виокремлюються на приймальному кінці за допомогою сумо-різніцевого перетворювача струм-напруга, який формує вихідну напругу , пропорційну сумі струмів та , і таке, що надходить на аналоговий вхід модему приймальної частини інтерфейсу. Таким чином, передача вимірювальної інформації від резидентної частини до ПК відбувається послідовно: ОмЕОМ, УСАПП, модем передавальної частини, КДС, СРПСН, модем приймальної частини, інтерфейс RS 232. Передача цифрової інформації в зворотному напрямку відбувається так: інтерфейс RS 232, модем приймальної частини, модулятор джерела напруги живлення, джерело напруги живлення, ДСМ, суматор, модем передавальної частини, УСАПП, ОмЕОМ. Така структура дозволяє забезпечити напівдуплексний режим обміну інформацією між ПК та резидентною частино інтелектуального АІ. Цифрова інформація, що передається в інтелектуальних інтерфейсах е, як правило, службовою, наприклад – характеристики датчиків, час здійснення найближчої необхідної корекції вимірювального каналу, результати самодіагностики і т.п.

Таким чином, інтелектуальний АІ на основі диференціально-струмових структур має ряд переваг:

· вища точність та завадо захищеність;

· використання одного каналу зв’язку для передачі цифрового та аналогового сигналів в одній і тій самій смузі частот;

· можливість використання для побудови системи топології типу «шина»;

· ширина смуги корисного сигналу підвищена на порядок;

· можливість роботи без модемів та ЧМ корисного сигналу (на обмежених відстанях) завдяки ефективному розподілу синфазного та диференціального сигналів в ширшій смузі частот за допомогою диференціально-струмових структур.

Перетворювач різниці струмів в напругу. Схема, зображена на рис. 2.10, ілюструє можливий варіант побудови перетворювача різниці струмів в напругу на основі двох ОП, у якому відсутня похибка від опору під’єднання ланцюга. У такому випадку цей каскад є ВП з диференціально-струмовими структурами.

Рисунок 2.10 – Перетворювач різниці струмів в напругу

Умова нульового падіння напруги у ланцюзі досягнуто завдяки тому, що вимірювальний струм передається на віртуально заземлений інвертуючий вхід ОП, неінвертуючий вихід якого заземлено. ОП1 діє як токовий інвертор, який виробляє струм –i₁, а ОП2 являє собою перетворювач струм-напруга із підсумовуючими входами, на вході якого маємо струм i₂ + (–i₁). Дослідження підсилювача ОП1 показують, що коли між його інвертуючим та неінвертуючим входами включені рівні за номіналами резистори R1=R2, через ці два резистори протікає однаковий струм, з метою підтримання однакового потенціалу на обох входах. Вхідний струм ОП2 становить i₂–i₁, а його вихідна напруга розраховується наступним чином

.

Недолік цієї схеми полягає у тому, що діапазон значень резистора R3, які можна обирати для підсилення вихідної напруги, досить обмежений, оскільки суттєва відмінність значення R3 від значення R1 та R2, призводить до появи похибки, яка додається до результату напруги на виході схеми.

Зазначений недолік усувається використанням схеми, зображеної на рис. 2.11.

Рисунок 2.11 – Вимірювальний перетворювач різниці струмів в напругу

Перевагою цієї схеми є більша завадозахищенність через можливість придушення синфазного сигналу набагато більшою мірою. Така будова схеми дозволяє виключити вплив синфазної складової, якщо резистори R1 та R2 для додаткового вимірювання поміняти місцями, а потім математично виключити різницю. Оскільки значення R3 не залежить від значення резисторів R1 та R2 можливе підсилення різницевого сигнали.

РОЗДІЛ 3