Wyjścia analogowe. Podstawowe elementy modułów

Zadaniem konstruktorów jest więc wybór odpowiedniego przetwornika C/A, implementacja układów przetwarzania sygnałów oraz zapewnienie dostatecznej izolacji galwanicznej pomiędzy poszczególnymi segmentami systemu.

Parametry, technologie

Rys. 1. Moduł wyjść analogowych sterujących zaworami w układzie sterowania przykładowego procesu przemysłowego

Rozdzielczości przetworników wykorzystywanych w zastosowaniach przemysłowych przyjmują wartości z zakresu od 12 do 16 bitów, przy dokładności rzędu 0,1%. Sygnały na wyjściu analogowym mają najczęściej następujące wartości: 5V, 10V, 0–10V, 4–20mA i 20mA, przy czasie ustalania przetwornika C/A w zakresie od 5µs do 100ms, w zależności od aplikacji. Odpowiedni zakres sygnału wyjściowego jest związany z konkretnymi wymaganiami danej aplikacji. W związku z tym użyteczną funkcją jest możliwość programowego wyboru poziomu sygnału wyjściowego. Opcja taka zwiększa funkcjonalność przetworników.

Dodatkowe przydatne funkcje to m.in. możliwość indywidualnej konfiguracji każdego kanału i odczytu informacji w celach diagnostycznych oraz jednoczesne przesłanie jednakowego i określonego sygnału na wszystkie wyjścia przetwornika w razie awarii. Wybór elementów odpowiednich do zastosowania w środowisku przemysłowym jest możliwy jedynie dzięki rozwijaniu nowych procesów technologicznych. Umożliwiają one produkcję przetworników, wzmacniaczy i izolatorów spełniających wymagania stawiane przez aplikacje przemysłowe. Na rys. 2, przedstawiającym podstawowe elementy typowego modułu wyjść analogowych, wymieniono także najnowsze rozwiązania technologiczne, na przykładzie rozwiązań proponowanych przez firmę Analog Devices. Poszczególne procesy przyporządkowano odpowiednim etapom w łańcuchu przetwarzania sygnału.

Izolacja

Rys. 2. Schemat typowego modułu wyjść analogowych i procesy technologiczne stosowane w produkcji poszczególnych segmentów modułu

Sygnały w postaci cyfrowej są przesyłane z centralnego sterownika do przetwornika C/A, zapewniającego analogowy sygnał sterujący. Izolacja galwaniczna pomiędzy stroną cyfrową i analogową jest stosowana w celu zapewniania bezpiecznych poziomów napięć po stronie użytkownika. Najpowszechniej wykorzystywanym rozwiązaniem są optoizolatory. W aplikacjach przemysłowych stosuje się także transformatory oraz izolację pojemnościową.

Zasadniczym elementem optoizolatorów jest dioda świecąca. Przekształca ona sygnał elektryczny w światło, które w fotodetektorze po stronie odbiorczej jest przetwarzane w sygnał elektryczny. Niska sprawność przetwarzania oraz długi czas reakcji fotodetektora powoduje, że decydując się na zastosowanie optoizolatorów, należy mieć świadomość ich zasadniczych ograniczeń. Dotyczy to zwłaszcza czasu życia, prędkości transmisji, poboru mocy oraz wrażliwości na zmiany temperatury. W związku z tym izolatory optyczne są przeznaczone głównie do konfiguracji jedno- lub dwukanałowych. Alternatywą dla optoizolatorów może okazać się technologia iCoupler firmy Analog Device.

Izolatory produkowane w tej technologii to układy scalone bazujące na sprzężeniu transformatorowym. Przetworniki C/A zazwyczaj mają 3- lub 4-żyłowe interfejsy szeregowe, co pozwala zredukować liczbę niezbędnych układów optoizolatorów. Niektóre systemy wymagają także pełnej izolacji po stronie analogowej. Powoduje to konieczność zastosowania jednokanałowych przetworników w celu zwiększenia izolacji między kanałami.

Architektury z C/A

Projektując układy wyjść analogowych sterujących urządzeniami automatyki przemysłowej, należy skupić się przede wszystkim na wyborze odpowiedniego przetwornika C/A. W praktycznych realizacjach są wykorzystywane dwie konfiguracje. Pierwszym rozwiązaniem jest stosowanie wydzielonego przetwornika C/A dla każdego kanału. Przetwornik C/A może być jednokanałowy lub wielokanałowy w przypadku, gdy jest niezbędna większa liczba kanałów, ale izolacja między nimi nie jest wymagana.

Rys. 3. Schemat układu wyjść analogowych z wielokanałowym przetwornikiem C/A

Na rys. 3 przedstawiono architekturę tego typu. W aplikacji tej można zastosować przetwornik LVSS (Low-Voltage Single-Supply), o zakresie napięcia wyjściowego od 0V do Vref, które może być w układzie kondycjonowania przetworzone w sygnał bipolarny napięciowy lub prądowy 4–20mA. Istnieje także możliwość wykorzystania przetwornika z wyjściem bipolarnym. W systemach wymagających dodatkowej izolacji międzykanałowej konieczne jest zastosowanie jednokanałowych przetworników A/C. Na rys. 4 pokazano przykład zastosowania przetwornika tego typu, wraz ze wzmacniaczem operacyjnym i źródłem napięcia, w pętli prądowej 4–20mA.

Wady i zalety

Rys. 4. Jednokanałowy przetwornik C/A w układzie pętli prądowej 420mA

Dokonując wyboru konkretnego rozwiązania, należy rozważyć wszystkie za i przeciw. Przykład stanowić mogą przetworniki C/A zapewniające bipolarną zmianę napięcia wyjściowego. Na rys. 5 został przedstawiony schemat blokowy przedstawiający główne komponenty układu przetwornika C/A tego typu. Podstawowe elementy obejmują precyzyjny przetwornik C/A, źródło napięcia, regulację offsetu i wzmocnienia oraz wzmacniacz wyjściowy. Integracja precyzyjnych źródeł napięcia jest trudna, ale postęp technologiczny, który w tym zakresie nastąpił w ciągu kilku ostatnich lat, umożliwia ich scalenie przy zachowaniu kluczowych parametrów.

Rys. 5. Schemat blokowy układu przetwornika C/A z wyjściem bipolarnym

Wykorzystanie przetworników z wyjściem bipolarnym wiąże się ze znacznym uproszczeniem całej struktury. Projekt jest wówczas mniej skomplikowany, ponieważ wymagane poziomy napięcia wyjściowego są bezpośrednio dostępne przy użyciu metod sprzętowej lub programowej konfiguracji. Dodatkowo przetworniki C/A o wyjściu bipolarnym mają standardowo zaimplementowane użyteczne funkcje, takie jak zabezpieczenia termiczne, ochrona przed zwarciem oraz kontrola napięcia w czasie załączania i wyłączania zasilania. Podstawową wadą przetworników z wyjściem bipolarnym jest ich ograniczona elastyczność. Wynika ona z tego, że wzmacniacz wyjściowy jest zazwyczaj optymalizowany pod kątem określonego obciążenia i dopuszczalnego poziomu szumów. W związku z tym często trudno dopasować parametry układu przetwornika do wymagań danej aplikacji.

Układy próbkująco-pamiętające

W drugiej z powszechnie stosowanych architektur jest wykorzystywany układ próbkująco-pamiętający sample-and-hold. W porównaniu do architektury z wydzielonym przetwornikiem dla każdego kanału zaletą tego rozwiązania jest przede wszystkim możliwość optymalnego wykorzystania miejsca na płycie urządzenia oraz zmniejszenie kosztów. W tym przypadku jest używany pojedynczy przetwornik C/A. Napięcie wyjściowe z przetwornika jest doprowadzane do wielu różnych kanałów przy użyciu analogowego demultipleksera oraz kondensatora. Zasadniczym elementem układów typu sample-and-hold jest właśnie kondensator pamiętający, od którego parametrów w głównej mierze zależy dokładność systemu. Kanały są cały czas odświeżane, w celu utrzymania na wyjściu pożądanego poziomu napięcia i zapewnienia wymaganej dokładności.

Rys. 6. Przetwornik C/A w układzie próbkująco-pamiętającym

Podobnie jak w przypadku architektury z przetwornikiem C/A wydzielonym dla każdego kanału, także w układach próbkująco-pamiętających wykorzystać można zarówno przetworniki C/A typu LVSS, jak i układ przetwornika z wyjściem bipolarnym. Wybór zależy od konkretnych wymagań. Często, aby uzyskać odpowiedni poziom napięcia do wysterowania obciążenia, za kondensatorem podtrzymującym umieszcza się bufor, który dodatkowo pozwala na uzyskanie niskiej impedancji wyjściowej (rys. 6). Wzmacniacz wyjściowy jest wymagany do separacji wyjścia, przetworzenia sygnału do wymaganego poziomu oraz do konwersji napięcie-prąd, w pętlach prądowych 4–20mA. Wymagania stawiane wzmacniaczom wykorzystywanym w wyjściach analogowych obejmują odpowiednie napięcie zasilania, niezbędne do zapewnienia wystarczającego (10V) zakresu napięć wyjściowych, niskie napięcie offsetu i dużą szybkość narastania napięcia wyjściowego.

Kluczowe parametry

Przy wyborze przełączników i multiplekserów, stosowanych w układach próbkująco-pamiętających wykorzystywanych w aplikacjach przemysłowych, kluczową rolę odgrywają takie parametry jak: niewielkie wartości wyjściowej reaktancji pojemnościowej oraz rezystancji w stanie załączenia w połączeniu z możliwością pracy przy wysokich napięciach. Niska reaktancja pojemnościowa jest ważna w sytuacjach, gdy wymagane są małe zakłócenia (glitch) i krótki czas ustalania.

Mała wartość rezystancji w stanie załączenia klucza i płaska charakterystyka zmian tej rezystancji w całym zakresie napięć wejściowych stanowią zasadnicze parametry w aplikacjach wymagających minimalnych zniekształceń sygnału. Ze spełnieniem tych wymagań wiążą się jednak pewne problemy konstrukcyjne, które dodatkowo pociągają za sobą pogorszenie innych parametrów.

Problemy z kluczem

Rys. 7. Klucz analogowy

Przełączniki analogowe w technologii CMOS charakteryzują się szeregiem parametrów, których wartości decydują o zastosowaniu danego układu w konkretnej aplikacji. Standardowy klucz w technologii CMOS stanowi para komplementarnych tranzystorów MOSFET połączonych równolegle (rys. 7). Postęp technologiczny dokonany w ciągu ostatnich lat pozwolił uzyskać znaczne obniżenie wartości rezystancji w stanie załączenia. Obecnie np. Analog Devices proponuje układy z rezystancją rzędu 0,4., co oznacza znaczny postęp w odniesieniu do kluczy CMOS dostępnych jeszcze 10 lat temu, w których rezystancja wynosiła 600.. Rezultaty uzyskiwane pod tym względem są jednak osiągane kosztem innych parametrów.

W związku z tym w celu uzyskania poziomów rezystancji o wartości kilku omów wymagany jest kompromis. Aby zmniejszyć rezystancję, należy zwiększyć fizyczny rozmiar tranzystorów, co jednak wiąże się ze zwiększeniem pasożytniczej pojemności. Kolejne komplikacje wynikają z dążenia do utrzymania płaskiej charakterystyki rezystancji, ponieważ wiąże się to z kilkukrotnym (zazwyczaj dwu- lub trzykrotnym) poszerzeniem kanału P względem kanału N. W konsekwencji kanał P ma dwu- lub trzykrotnie większą pojemność niż kanał N. Skutkuje to niejednakową ilością ładunków wstrzykiwanych w czasie przełączania. Efektem ubocznym wynikającym z zaistnienia tej nierównowagi są więc zakłócenia, określane jako charge injection. Zjawisko to w aplikacjach, w których konieczna jest niska rezystancja załączenia, staje się istotnym problemem.

Monika Jaworowska