Записная книжка разработчика

Мои проекты

Пример схемотехнического решения гальванически изолированного токового выхода 4-20 мА

| Comments

Множество современных приборов и устройств автоматики имеют токовый выход стандарта 4-20 мА. В статье рассматривается простой, прецизионный, оптимизированный по стоимости узел гальванически изолированного токового выхода.

Устройство и принцип работы

Функциональная схема узла приведена на рис 1.

pic1

Рис.1. Функциональная схема узла токового выхода.

Основу узла токового выхода составляет микросхема AD5620-1, представляющая собой цифро-аналоговый преобразователь с разрядностью 12 и встроенным источником опорного напряжения 1,25В, что обеспечивает диапазон выходных напряжений 0-2,5В. Источник опорного напряжения имеет высочайшее значение температурной стабильности 5ppm/С [1].

Данный ЦАП производства фирмы Analog Devices имеет 14-и и 16-и разрядные аналоги, соответственно AD5640 и AD5660. Также имеются модификации этих микросхем с индексом 2, (то есть, например AD5620-2), имеющие напряжение встроенного источника опорного напряжения 2,5В, и диапазон выходных напряжений 0-5В.

Микросхема выпускается в корпусах SOT23-8 и MSOP и занимает на плате площадь 9 мм2 и 15 мм2 соответственно.

Гальваническая развязка обеспечивается микросхемой ADUM1300 [2] и DC/DC преобразователем, например Aimtech AM1D-2415SZ [3]. Также в схеме используется дополнительный стабилизатор напряжения 5В, например, широко распространенный 78L05, обозначенный на рис. 1 как LDO (Low DropOut regulator).

Интерфейс подключения к микроконтроллеру – трехпроводный, включающий в себя сигналы ~SYNC – начало передачи данных, SCLK – тактовые импульсы и D_IN - данные. Подробное описание интерфейса приведено в фирменном описании микросхемы [1].

Работа узла понятна из рис. 1. Внутри микросхемы ЦАП имеется операционный усилитель с rail-to-rail выходом (рис. 2), в данной схеме его цепь обратной связи обеспечивает коэффициент усиления 2, когда выводы Vfb и Vout замкнуты между собой.

pic2

Рис. 2 Структура ЦАП AD5620/ AD5640/ AD5660

При этом выходное напряжение ЦАП равно:

form1

; (1)

где Vref – напряжение опорного источника, встроенного в ЦАП,

D – значение кода, загруженного в регистр ЦАП,

N – разрядность ЦАП.
В схеме, показанной на рис. 1 напряжение на стоке транзистора равно

form2

;(2)

а, принимая R3 >> R4, выходной ток равен

form3

;(3)

Записав (1-3) совместно, получаем (4)
form4

;(4)

Приняв R1 = R3, получаем
form5

;(5)

В (5) значение кода участвует с с обратным знаком, то есть максимальный ток

form6

будет получен при коде 0, а нулевой выходной ток будет обеспечиваться при максимальном коде D = 2^N – 1 (если быть точным, значение тока будет не нулевым, а составит 1/(2^N) от максимального тока, но такой ничтожной величиной можно пренебречь).

Пусть мы выбрали микросхему AD5620-1, имеющую разрядность N=12 и Vref=1,25В.

Тогда для достижения максимального тока I=20e-3A значение R4 = 2*1,25В/20e-3A = 125Ом. Значения R1 и R3 должны быть >>R4, для того, чтобы не оказывать влияния на выходной ток, их можно выбрать в пределах 20-100кОм.

При применении микросхем с индексом 2 (например, AD5620-2), которые имеют Vref=2,5В значение R4 должно быть равно 250Ом.

Так как значение тока зависи
т от значений резисторов R1, R3, R4, они должны быть прецизионными, с точностью не хуже 0,1%, например, отечественные C2-29.

Некоторые рекомендации по обеспечению устойчивости работы схем на операционных усилителях приведены в [4].

Потребляемая мощность узла в основном определяется мощностью, потребляемой непосредственно токовым выходом и выходным транзистором, т.е. 15В х 20мА = 300мВт. Потребление остальных компонентов схемы ничтожно мало по сравнению с этим значением и составляет не более 5 мА. Это означает, что для питания узла можно использовать DC-DC преобразователь мощностью 500мВт, например, AM1/2L-0515S-N, либо использовать DC-DC преобразователь мощностью 1 Вт, имеющий два раздельных гальванически изолированных выхода, например, AM1D-241515D для питания двух подобных узлов.

Результаты испытаний
Были проведены испытания четырех таких узлов. Результаты измерений по одному из каналов прибора приведены здесь.
Стоимость
Стоимость основных компонентов узла (в розничных ценах по прайс-листу компании Элтех на момент написания статьи) составляет 384,81 р.
Заключение
В статье рассмотрена схемотехника узла гальванически изолированного источника тока 4-20мА, управляемого микроконтроллером, приведено описание его работы и расчетные формулы. Приведены результаты испытаний реального устройства и приблизительная оценка его стоимости.

Полученные точностные характеристики далеко превосходят требования к точности подавляющего большинства приборов и устройств промышленной автоматики. Можно сделать вывод, что применение 14-и и 16-ибитной версии рассматриваемого ЦАП совершенно избыточно, из экономических соображений применение 12-битного ЦАП будет вполне достаточным.

Литература

1. Single, 12-/14-/16-Bit nanoDAC™ with 5 ppm/°C On-Chip Reference in SOT-23 AD5620/AD5640/AD5660. Analog Devices. www.analog.com
2. Triple-Channel Digital Isolators ADuM1300/ADuM1301. Analog Devices. www.analog.com
3. Precision Micropower Single-Supply Operational Amplifiers. OP777/OP727/OP747. Analog Devices. www.analog.com
4. Practical Techniques to Avoid Instability Due to Capacitive Loading. S. Bendaoud, G. Marino. //Analog Dialogue, 38, 2004