Трипровідний аналоговий інтерфейс

1. Трипровідний аналоговий інтерфейс для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу, що містить n перетворювачів струм/напруга (4), входи яких зв'язані з точками вимірів - датчиками (1), а виходи - з входами мультиплексора (5), мікропроцесор (7), аналого-цифровий перетворювач (АЦП) (6), ізольований блок живлення (9) і блок оптичної розв'язки (8), вихід якого є виходом інтерфейсу, причому керуючі входи мультиплексора (5) і входи/виходи АЦП (6) зв'язані з мікропроцесором (7), вихід мультиплексора (5) зв'язаний з входом АЦП, а вихід мікропроцесора - з входом блока оптичної розв'язки (8), кожний перетворювач струм/напруга (4) виконаний у вигляді диференціального підсилювача з симетричними струмовими входами, що містить інвертувальний перетворювач струм/напруга на основі операційного підсилювача (ОП) (14) і підключений одним входом до його виходу інвертувальний суматор струмів на основі ОП (20), другий вхід якого є інвертувальним струмовим входом перетворювача струм/напруга (4), який відрізняється тим, що зв'язок кожного перетворювача струм/напруга (4) з точками виміру - датчиками (1) 2 (19) 1 3 Винахід відноситься до області вимірювальної техніки, а саме до аналогових Інтерфейсів з диференціально-струмовим трьохпровідним каналом зв'язку, які узгоджують сигнали від датчиків з електричним збудженням та електричним вихідним сигналом із ПК у багатоточковій інформаційно-вимірювальній системі (ІВС) централізованого типу. Багатоточкові ІВС здійснюють послідовний збір інформації про стан об'єкта. Первинні вимірювальні перетворювачі розташовуються в кожній досліджуваній точці інформаційного поля, і дані від них послідовно в часі надходять на вхід аналогового інтерфейсу. ІВС централізованого типу при цьому характеризується тим, що частини системи, відповідальні за перетворення сигналу, використовуються для обробки всіх сигналів послідовно, тобто за принципом розподілення часу. Порівняно невисокі апаратурні витрати дозволяють говорити про дешевизну подібних систем.. Типова схема аналогового інтерфейсу в подібній системі містить у собі керований мікропроцесором мультиплексор, на входи якого через фільтри надходять сигнали з уніфікованих вимірювальних перетворювачів (УВП-ів), а вихід через один аналого-цифровий перетворювач (АЦП) за допомогою гальванічної розв'язки зв'язаний з ПК [див. К.Б.Клаассен.. Основи вимірів. Електронні методи і прилади у вимірювальній техніці. Москва: Постмаркет, 2000, с. 319, мал. 4.34]. Щоб підсилити сигнал, що надходить на вхід аналогового інтерфейсу, використовують вимірювальні перетворювачі (ВП), що забезпечує посилення з високою точністю при низькому рівні шуму, високому рівні приглушення синфазних перешкод і малих спотворень. Це особливий тип перетворювачів, у яких, як правило, коефіцієнт підсилення точно визначений і його можна регулювати. Крім підвищення чутливості вимірів, ВП, крім того, ізолює об'єкт виміру від навантажувальної дії наступного тракту. При роботі з датчиками з токовим виходом вхідний імпеданс ВП повинний бути малим. Як правило, це досягається включенням шунта на вході ВП. Однак похибки узгодження при цьому зростають. Важливою ознакою, що характеризує можливості інтерфейсу, є кількість проводів у лінії/каналі зв'язку. Це може бути, наприклад, двопровідна лінія, де найбільш поширеним є струмовий сигнал у діапазоні 4-20 мА, або сигнал напруги у масштабі 0-5 В або уніфікований сигнал з частотою у межах 1 -6 Кгц - з урахуванням наступних критеріїв вибору. Якщо дальність до точок виміру становить сотні метрів, то обирають токовий сигнал; якщо до об'єкта менше десяти метрів, то у якості проміжного інформаційного сигналу обирають сигнал напруги, і якщо відстань є більшою за один кілометр, то обирається сигнал частотний. Не дивлячись на очевидну привабливість двопровідної схеми на практиці однак з причин більших вимог до точності виміру доводиться користуватись трьохпровідними лініями зв'язку, особливо трьохпровідними лініями з зовнішнім блоком живлення, що однак утруднює реалізацію пристрою при великій кількості 74738 4 датчиків. Однією із суттєвих переваг трьохпровідної лінії зв'язку є можливість працювати з низькоомними датчиками. Однак загальним недоліком інтерфейсів як з двопровідним, так і з трьохпровідним токовим каналом зв'язку - коли енергія для живлення вимірювального перетворювача передавача надходить по тим же проводам, що і інформаційний сигнал - є те, що нестабільність блоків живлення, які формують початковий струм (4 мА у стандарті 4-20 мА), впливає на точність вимірів. Для живлення внутрішніх блоків інтерфейсу використовують мережний блок живлення. Як і в будь-якому електронному приладі, при цьому через наявність у мережному блоці живлення силового трансформатора з його міжобмоточною паразитною ємністю - у вхідному контурі приладу виникають мережні наведення, що погіршують точність вимірів. Одним з ефективних способів боротьби з цим явищем є захисне екранування, що являє собою конструкцію "box in box" [див. наприклад Μ.Η.Van Erk and H.G. Onstee. Digital instrument cource. N.V. Philips Gmb Test and Measuring Department, Eindhoven, The Nertholand, Part 3, Digital Voltmeters and multimeters, pp. 35-44, fig. 6.14], [див. Барнс. Методи боротьби з завадами. Електронне конструювання, М., "Світ", 1990, с. 108]. Аналогом запропонованого технічного рішення є аналоговий інтерфейс для багатоточкової інформаційно-вимірювальної системи централізованого типу з струмовим двохпровідним (трьохпровідним)і каналом зв'язку ведучої у даній галузі техніки фірми Burr-Brown [див. R. Mark Stitt and David K-unst. 1C building blocks form complete isolated 4-20 m current- loop systems. Application bulletin BURR-BROWN Corporation]. Інтерфейс містить перетворювачі струм/напруга, входи яких зв'язані відповідно з точками вимірів - датчиками з токовим виходом, а виходи - із входами мультиплексора, мікропроцесор, АЦП, мережний блок живлення і блок оптичної розв'язки, вихід якого є виходом інтерфейсу, причому керуючі входи мультиплексора й АЦП зв'язані з мікропроцесором, вихід мультиплексора зв'язаний із входом АЦП, а вихід мікропроцесора - із входом блоку оптичної розв'язки. Перетворювач струм/напруга в цьому інтерфейсі виконаний у виді підключеного до входу ВП шунта. Як відомо, шунт не має нульового вхідного опору, тому мають місце похибкиі узгодження аналогового інтерфейсу з датчиком. Крім того, мережний блок живлення у даному інтерфейсі є неізольованим і для того, щоб розв'язати вимірювальні канали по живленню, у кожнім з них використовують DC-DC конвертор у виді ІМС малої потужності. Наслідком цього є та обставина, що при збільшенні числа вимірювальних каналів пропорційно погіршується якість гальванічної розв'язки по живленню, тому що збільшується загальна паразитна ємність між мережею й аналоговою землею. Вказані недоліки усувалися у найбільш близькому до запропонованого трьохпровідному аналоговому інтерфейсі з диференціально-струмовим каналом зв'язку для багатоточкової ІВС, який 5 74738 6 забезпечує досить високу точність виміру і багатоточкової інформаційно-вимірювальної сисзавадозахищеність за рахунок нейтралізації завад теми централізованого типу, що містить n у вхідній частині приладу і зменшення перетворювачів струм/напруга, входи яких зв'язані погрішностей узгодження, розкритий у заявці № з точками вимірів - датчиками , а виходи - з входа2002086707 з датою публікації 16.02.2004.У цьому ми мультиплексора , мікропроцесор , аналоготрьохпровідному аналоговому інтерфейсі з цифровий перетворювач (АЦП), ізольований блок диференціально-струмовим каналом зв'язку для живлення і блок оптичної розв'язки, вихід якого є багатоточкової інформаційно-вимірювальної сисвиходом інтерфейсу, причому керуючі входи мультеми централізованого типу наявними є n типлексора і входи/виходи АЦП зв'язані з перетворювачів струм/напруга, входи яких зв'язані мікропроцесором, вихід мультиплексора зв'язаний з точками вимірів - датчиками з струмовими вихоз входом АЦП, а вихід мікропроцесора - з входом дами, а виходи - з входами мультиплексора, блока оптичної розв'язки, кожний перетворювач мікропроцесор, аналого-цифровий перетворювач струм/напруга виконаний у вигляді (АЦП), мережний блок живлення і блок оптичної диференціального підсилювача з симетричними розв'язки, вихід якого є виходом інтерфейсу, приструмовими входами, що містить інвертувальний чому керуючі входи мультиплексора і вхоперетворювач струм/напруга на основі ди/виходи АЦП зв'язані з мікропроцесором, вихід операційного підсилювача (ОП) і підключений одмультиплексора зв'язаний з входом АЦП, а вихід ним входом до його виходу інвертувальний сумамікропроцесора - з входом блока оптичної тор струмів на основі ОП , другий вхід якого є розв'язки, мережний блок живлення виконаний інвертувальним струмовим входом перетворювача ізольованим, підключений до всіх внутрішніх струм/напруга , згідно з винаходом, зв'язок кожноблоків інтерфейсу і містить мережний випрямляч го перетворювача струм/напруга з точками виміру на вході, високочастотний трансформатор на - датчиками здійснено за допомогою ланцюга з виході, фільтруючий конденсатор мережного виппослідовно з'єднаних пристрою узгодження та рямляча, параметричний стабілізатор, виходи яковимірювального перетворювача напруга/струм , де го підключені до входів живлення задавального останній містить джерело струму, струмове дзергенератора синусоїдальної напруги та аналогового кало, стабілітрони, вимірювальний підсилювач з перемножувача, один вхід якого зв'язаний з вихопарафазними виходами та перетворювачі напрудом згаданого генератора, а другий - з виходом га/струм, причому джерело струму" включене між підключеного до виходу мережного випрямляча входом струмового дзеркала та неінвертувальним резистивного подільника, а також підсилювач входом перетворювача, вихід струмового дзеркапотужності, вхід якого зв'язаний з виходом аналола зв'язаний з інвертувальним входом перетворюгового перемножувача, вихід підсилювача вача, загальна точка струмового дзеркала через потужності підключений до первинної обмотки випослідовно включені стабілітрони під'єднана до сокочастотного трансформатора, при цьому входи входів живлення пристрою узгодження, живлення параметричного стабілізатора та вимірювальні входи вимірювального підсилювача підсилювача потужності зв'язані з мережним випз парафазними виходами під'єднані до виходу рямлячем, а кожний перетворювач струм/напруга пристрою узгодження , його вхід живлення - до виконаний у вигляді диференціального стабілітронів, а парафазні виходи - до входів підсилювача з симетричними струмовими входаперетворювачів напруга/струм, виходи яких ми, що містить інвертувальний перетворювач під'єднані до входів вимірювального перетворюваструм/напруга на основі операційного підсилювача ча струм/напруга відповідно - інвертувальні виходи (ОП) і підключений одним входом до його виходу до інвертувального входу і неінвертувальні виходи інвертувальний суматор струмів на основі ОП, до неінвертувального, а входи живлення другий вхід якого є інвертувальним струмовим перетворювачів напруга/струм під'єднані до входом перетворювача струм/напруга. стабілітронів, а також тим, що кожний перетворюХарактерною рисою прототипу є те, що вказавач струм/напруга доповнено джерелом напруги , ний інтерфейс здатен працювати тільки з активвключеним між загальною точкою схеми та входом ними датчиками (трансформаторами струму). Для живлення вимірювального перетворювача напруроботи з датчиками інших типів він потребує га/струм. зовнішнього джерела живлення та функціонально Для використання у роботі з тензодатчиками завершених вимірювальних перетворювачів, що запропонований інтерфейс має такий пристрій пов'язано зі значними апаратурними витратами. узгодження, який характеризується тим, що Винахід направлено на задачу створення містить ОП, до входів якого підключено тензодаттрьохпровідного аналогового інтерфейсу з чик у вигляді напівмоста, утвореного тензорезидиференціально-струмовим каналом зв'язку, який сторами, а також джерело напруги, включене між без погіршення метрологічних характеристик загальною точкою схеми та спільною точкою (точності, швидкодії, тощо) забезпечує можливість тензорезисторів, вихід ОП через резистор роботи з датчиками, які потребують зовнішнього підключений до його інвертувального входу, а збудження, шляхом розробки диференціальнонеінвертувальний вхід ОП через резистор струмового каналу зв'язку, у якому струми живпідключений до загальної точки схеми. лення є синфазними по відношенню до У запропонованому рішенні забезпечується диференціально-струмових входів приймальної розв'язка між сигналами живлення передавальної частини інтерфейсу. частини інтерфейсу та інформаційними сигналаПоставлена задача вирішується тим, у ми. Окрім уже вказаних переваг, позитивним ретрьохпровідному аналоговому інтерфейсі для зультатом такого схемного рішення є можливість 7 74738 8 розмістити на передавальній частині інтерфейсу на ОП 30, захисному резисторі 31, інтелектуальних вимірювальних перетворювачів. транзисторі 32 та ваговому резисторі 33, Завдяки тому, що струми живлення не впливають 34 - перетворювач напруга/струм, виконаний на результат вимірювання, - їх можна зробити дона ОП 35, захисному резисторі 36, транзисторі 37 сить потужними і тоді з'являється можливість та ваговому резисторі 38, на фіг. 4: підключити до вимірювального перетворювача 39 - джерело напруги, розвинену електронну частину, тобто здійснити 40, 41 - тензорезистори,, що включені за схейого інтелектуалізацію з відповідною можливістю мою напівмоста. покращити його метрологічні характеристики ще Розглянемо роботу аналогового інтерфейсу у більше. режимі роботи з низькоомним тензодатчиком. Суть винаходу пояснюється кресленнями, Схема пристрою узгодження 2 низькоомного тенприведеними тільки з метою ілюстрації, але ніяк зодатчика з вимірювальним перетворювачем 3 не обмежуючими сутність і обсяг винаходу, що показана на фіг. 4. Вихідна напруга після проходзаявляється. На фігурах приведені: ження сигналу з датчика 1 (зі схемою узгодження на фіг.1 - структурна схема аналогового напруга /струм з диференціально-токовим вихоінтерфейса з диференціально-струмовим трьох дом) дорівнює: провідним каналом зв'язку для багатоточкової 2 Vo Uвих при