Референсная разработка передатчика интерфейса токовой петли с HART-модемом и питанием от самой петли базируется на компонентах Texas Instruments.
В статье речь пойдет о высокоточном передатчике с HART-модемом для реализации интерфейса токовой петли с питанием от самой петли. В схеме используется частично дискретный токовый передатчик 4…20 мА, HART-модем, микроконтроллер и стабилизаторы для создания высокоинтегрированного передатчика. Система имеет модульную конструкцию, что значительно расширяет область ее применения. Передатчик рассчитан на работу в широком диапазоне входных напряжений (14…36 В) с погрешностью выходного тока не более 0,1% от полного диапазона регулирования. Схема отличается малым энергопотреблением. Полная токовая нагрузка не превышает 2,6 мА, что значительно ниже допустимого стандартом NAMUR NE43 тока 3,5 мА.
Разработка соответствует требованиям протокола HART в отношении оборудования физического уровня для частотной модуляции сигнала и зарегистрирована Field Comm Group.
Сфера применения:
- системы АСУ ТП предприятий;
- передатчик в составе датчиков:
- потока;
- уровня;
- давления;
- температуры.
Обзор системы
Подробная схема передатчика в TIDA-01504 приведена на рисунке 1.
Обзор используемых компонентов
Частотная модуляция по протоколу HART выполняется с помощью модема DAC8740H. Диапазон рабочих напряжений питания устройства составляет 2,7…5,5 В при потреблении всего 265 мкА от встроенного источника или осциллятора, что делает его подходящим для работы с питанием от токовой петли. Диапазон рабочих температур составляет -55…125°C. Устройство доступно в небольшом 24-контактном корпусе 4×4 мм.
Высокая точность работы в диапазоне 4…20 мА обеспечивается устройством DAC8830, которое представляет собой последовательный одноканальный 16-разрядный цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Напряжение на выходе ЦАП формируется с помощью источника питания 3…5 В. Небольшие значения нелинейности и шумов, малая вероятность отказа, а также короткий промежуток времени установления выходного сигнала делают DAC8830 идеальным устройством при работе на промышленных объектах, требующих высокой точности измерений.
Погрешность работы передатчика зависит от точности работы первичного операционного усилителя. Смещение входного напряжения и входного тока, полученное на нем, усиливается в схеме преобразователя напряжения в ток и формирует погрешность смещения выходного сигнала. Эту погрешность можно предотвратить с помощью операционного усилителя OPA335. Этот операционный усилитель использует метод автоматической установки нуля для обеспечения очень малого значения напряжения смещения (не более 5 мкВ) и близкого к нулю дрейфа при любой температуре на протяжении всего срока службы. Кроме того, этот операционный усилитель оптимизирован для работы с низким однополярным напряжением источника питания. Ток покоя OPA335 составляет 285 мкА.
Большая полоса пропускания устройства в 2 МГц обеспечивает возможность управления выходным сигналом с помощью HART-модема или любых программных средств.
Выходное сопротивление DAC8830 и вход преобразователя напряжения в ток разделены с помощью буферного усилителя OPA333. Высокоомный вход усилителя принимает сигнал ЦАП, создавая сигнал с низким выходным сопротивлением для управления схемой преобразователя напряжения в ток. Аналогично OPA335, операционный усилитель OPA333 является источником погрешности смещения входного напряжения. В OPA333 используется запатентованная методика автоматической калибровки, которая одновременно обеспечивает очень малое значение напряжения смещения (не более 10 мкВ) и близкий к нулю дрейф при любой температуре на протяжении всего срока службы. Кроме того, этот операционный усилитель также допускает работу с однополярным источником питания. Ток покоя OPA333 – 17 мкА.
Логический уровень передатчика представлен микроконтроллером MSP430FR5969. Используемая в устройстве оперативная FRAM-память с малым значением энергопотребления вкупе с целостной энергоэффективной архитектурой устройства позволяет использовать MSP430FR5969 для повышения производительности систем при небольшом энергопотреблении. Технология FRAM сочетает в себе скорость, гибкость и долговечность SRAM с устойчивостью и надежностью Flash-памяти при значительно меньшем потреблении мощности.
Модули MSP430 ULPFRAM включают в себя 16-разрядный процессор со сверхмалым энергопотреблением MSP430 ULP и набор интеллектуальных периферийных устройств, предназначенных для различных сфер применения. Архитектура ULP демонстрирует семь режимов пониженного энергопотребления, оптимизированных для продления срока службы батареи.
Устройство TPS7A4101 представляет собой линейный стабилизатор высокого напряжения в улучшенном корпусе MSOP-8. Модуль способен выдержать длительное постоянное напряжение или переходный импульс величиной до 50 В. TPS7A4101 понижает напряжение петли до 5 В, которое используется различными активными компонентами и регуляторами, такими как OPA333, OPA335, DAC8830, TPS76933 и другими.
Устройство TPS7B69-Q1 – это линейный регулятор с малым падением напряжения на проходных элементах (LDO-регулятор). Устройство рассчитано на работу со входным напряжением до 40 В. Благодаря току покоя всего 15 мкА устройство подходит для организации систем питания микроконтроллеров в режиме ожидания. Этот регулятор выдает напряжение на выходе 3,3 В для устройств DAC8740H и MSP430FR5969.
Высокоточные источники опорного напряжения семейства LM4132 работают на уровне лучших устройств на биполярных транзисторах, изготовленных с помощью лазеров, но выполнены по более экономичной CMOS-технологии. В отличие от других LDO, LM4132 может выдавать ток до 20 мА и не требует конденсатора или буферного усилителя на выходе. Устройство выпускается в корпусе SOT-23 и отлично подходит для применения в схемах с небольшими габаритами. Высокоточный генератор опорного напряжения обеспечивает стабильное напряжение величиной 4,096 В на входе VREF устройства DAC8830.
Выбор компонентов
Описываемые устройства, как правило, используются для передачи сигналов от различных датчиков полевого уровня и располагаются непосредственно в заводских цехах. Они входят в состав системы мониторинга параметров технологического процесса, таких как температура, давление, скорость потока, уровень жидкости или смещение оси. Передатчик, преобразующий выходной сигнал датчика в стандартизированное передаваемое аналоговое значение, обычно – в ток величиной 4…20 мА, и называется преобразователем. Аналоговый выходной сигнал является функцией измеряемого параметра. Преобразователи, которые выдают только аналоговое представление измеряемой величины, называют простыми передатчиками, потому что они не предоставляют никакой другой информации, связанной с датчиком.
Включение в схему HART-модема позволяет сочетать обыкновенный аналоговый сигнал с частотно-манипулированным FSK-сигналом. Преобразователь превращается в одномодульный адаптивный SMART-датчик. HART-модем передатчика и MCU обеспечивают передачу цифровых данных через аналоговую токовую петлю, позволяя получать от датчика такую важную информацию как диагностические данные, вызов процедуры калибровки или изменение конфигурации датчика.
В общем случае, преобразователь работает со внешним источником энергии и включенной последовательно нагрузкой 250 Ом. Источник питания и нагрузка, как правило, входят в состав модуля аналогового ввода, который, в свою очередь, связан с аналоговым интерфейсом, включающим АЦП, MCU и, в некоторых случаях, HART-модем для организации интеллектуальных токовых петель. АЦП фиксирует потенциал на нагрузочном резисторе, и передает это значение MCU для обработки данных и последующего формирования выходных сигналов, как показано на рисунке 2. Добавление HART-модема превращает двухпроводную петлю в интеллектуальную, что позволяет управляющему устройству запрашивать состояние, калибровку и статус подключенного передатчика.
На рисунке 3 показана упрощенная схема двухпроводного передатчика 4…20 мА, который часто называют V-I-преобразователем. Данный передатчик имеет две внешние входные клеммы без фиксированной полярности, положительный или отрицательный провод может быть подключен к любой клемме. Положительный вывод обеспечивает напряжение питания, которое требуется преобразователю для включения и работы, а отрицательный вывод обеспечивает путь для обратного тока.
Замена всех компонентов их идеальными аналогами, такими как идеальные операционные усилители — исходная точка для получения упрощенной передаточной функции. Благодаря свойствам идеального операционного усилителя оба входа U3 имеют одинаковый потенциал. В этой схеме инвертирующий вход данного операционного усилителя подключен к локальному заземлению. В идеале ток не протекает через входы U3, следовательно, ток I3, проходящий через резистор R3, равен сумме токов через резисторы R2 и R1 (формула 1).
Важным требованием выполнения цикла является возврат тока покоя по токовой петле. LDO-регулятор питает аналоговые секции передатчика. Эти секции отвечают за установление величины выходного тока и контроль наличия локальной земли. Ток покоя Iq всех активных компонентов в конечном итоге собирается в узле A, объединяется с током через резистор R5 и возвращается в токовую петлю через резистор R4. Отрицательная обратная связь операционного усилителя U3 обеспечивает равенство потенциалов на его входах путем управления током базы биполярного транзистора с n-p-n-переходом. Ток эмиттера этого транзистора проходит через резистор R5 и выравнивает падение напряжения на резисторах R3 и R4, (формула 2).
Затем токи I3 и I4 объединяются, формируя выходной ток (формула 3).
Выходной ток также может быть выражен как функция входного кода ЦАП, что показано в формуле 4:
Исходя из формулы 4, коэффициент усиления прямо пропорционален отношению R3/R4. Для минимизации рассеяния мощности на активных компонентах резисторы R3 и R4 должны быть выбраны так, чтобы большая часть тока протекала через биполярный транзистор Q1. В эталонной схеме соотношение R3/R4 выбрано равным 99.
Для опорного напряжения VREF, равного 4,096 В при нулевом значении входного сигнала, выходной ток составит 4 мА, в то время как полный диапазон выходного тока, согласно передаточной функции, охватывает 16 мА. Сложив эти значения, получаем ток в петле 4…20 мА, в зависимости от выходного напряжения ЦАП.
В двухпроводных передатчиках наиболее распространено напряжение питания контура – 24 В, однако напряжение питания может варьироваться от 12 В до 36 В. Во время работы передатчик выдает ток до 20 мА через резистор нагрузки, что создает падение напряжения, равное сопротивлению резистора, умноженному на ток 20 мА. Поэтому важно помнить, что это напряжение должно быть достаточным для нормальной работы передатчика.
Для правильной работы TPS7A4101 требуется входное напряжение не менее 7 В (рисунок 4). Поскольку преобразователь имеет индивидуальное локальное заземление, падение напряжения на резисторе R4 может быть рассчитано как разница потенциалов между этим заземлением и шиной V-. Предполагая, что весь ток проходит через биполярный транзистор Q1, падение напряжения рассчитывается как произведение максимального тока и сопротивления резистора R4, которое в данной схеме равняется 0,4 В (20 Ом × 20 мА). Эта разница потенциалов, а также падение напряжения по 0,7 В на каждом из диодов, добавляются к входному напряжению 7 В создавая минимальное напряжение 8,8 В, необходимое для работы TPS7A4101.
Зная сопротивление нагрузки, можно рассчитать минимальное допустимое напряжение источника питания с помощью формулы 5:
Для нагрузки 250 Ом необходим источник питания с выходным напряжением не менее 13,8 В.
TPS7A4101 преобразует напряжение внешнего источника в 5 В для питания DAC8830, LM4132 и OPA333 или OPA335. 200-омный резистор на входе LDO работает как ограничитель пускового тока и увеличивает входное сопротивление передатчика.
Во время нормальной работы транзистор Q1 находится в нормальном активном режиме и регулирует ток через отрицательную обратную связь операционного усилителя U3. Для поддержания такого режима падение напряжения на коллекторе-эмиттере должно быть больше, чем на базе-эмиттере. Слишком высокое сопротивление на эмиттерном выходе транзистора может поспособствовать его переходу в режим насыщения. Это необходимо учитывать при выборе резисторов R4 и R5. Допустимое выходное напряжение передатчика определяется условием стабильной работы транзистора в нормальном активном режиме (рисунок 5).
Транзистор U3 выполняет свои функции при наибольшем потенциале базы относительно земли – 5 В. Для поддержания напряжения «база-эмиттер» на уровне не выше 0,7 В необходимо, чтобы сопротивление резистора R5 не превышало [5…0,7/20 мА] Ом.
Вместе с тем, источник питания должен быть способен поддерживать напряжение на выходах «коллектор-эмиттер» так, чтобы транзистор находился в нормальном активном режиме. Напряжение источника питания можно рассчитать с помощью формулы 6.
Резисторы R4 и R5 выбираются таким образом, чтобы минимизировать падение напряжения, и в то же время обеспечить отношение R3/R4, равное 99. Принимая напряжение «коллектор-эмиттер» VCE=2 В и значения сопротивления резисторов, указанных на схеме, получаем необходимое напряжение источника питания 10,008 В. Нетрудно заметить, что это напряжение значительно ниже уровня, необходимого для получения 5 В на выходе TPS7A410. Выбранные пассивные элементы позволяют нам быть уверенными, что источник питания может быть выбран только по условию корректной работы TPS7A4101.
Точность передатчика в основном зависит от точности работы усилительного каскада V/I-преобразователя. Этот каскад состоит из нескольких активных и нескольких пассивных компонентов. К активным компонентам относятся два операционных усилителя и прецизионный ЦАП, а к пассивным – резисторы. На рисунке 6 показано большинство ошибок, вызываемых этими компонентами, а наиболее значимые из них выделены красным цветом.
Источники погрешностей могут быть включены в уравнения, составленные по правилам Кирхгофа. Первое правило Кирхгофа для узла 1 описывается формулой 7:
Поскольку все источники погрешностей линейно независимы, общую нескорректированную ошибку всей системы можно рассчитать как корень из суммы квадратов всех компонентов. Теорема суперпозиции может быть применена к формуле 9 при проверке отдельных процентных долей общей нескорректированной ошибки.
Подключение HART-модема
Выход MODOUT HART-модема DAC8740H подключается к преобразователю через конденсатор переменного тока C1 (рисунок 7). Этот конденсатор вместе с резистором R6 создает фильтр верхних частот, который подавляет частоты ниже заданного уровня (1/(2 × π × R6 × C1).
HART-модем не включен в расчеты токовой петли, потому что, по существу, он выдает 0 В, когда не активен. Однако когда устройство включается в работу, оно добавляет к выходному току частотно модулированный сигнал величиной 1 мА. Резистор R6 подключается к неинвертирующему входу операционного усилителя U3. Сопротивление R6 может быть определено по формуле 10:
Подставив выбранные ранее сопротивления R3 и R4 и напряжение MODOUT HART-модема, получаем необходимое сопротивление резистора R6, равное 49,9 кОм. После выбора R6 можно рассчитать C1, задав пороговые значения фильтра верхних частот. В этой схеме пороговое значение выбрано равным 679 Гц, что обеспечивает эффективное подавление шума и частот ниже 1200 и 2200 Гц без существенного влияния на частоты из рабочего диапазона модема.
Выход MOD_IN DAC8740H подключается к вводу напряжения положительной полярности передатчика через конденсатор переменного тока C2. Выход MOD_IN снабжен внутренним полосовым фильтром. Схема фильтра показана на рисунке 8, она предусматривает использование конденсатора C2 с емкостью 2200 пФ для того чтобы обрезать частоты ниже 602,4 Гц и выше 10,4 кГц.
После установления HART-связи модем DAC8740H активирует выход обнаружения несущей и принимает ответные данные с выхода UART_OUTMCU на скорости 1200 бод в символьном UART-формате.
Расчет мощности системы
При проектировании двухпроводных передатчиков необходимо учитывать энергопотребление. Питание от петли должно обеспечивать питание всех цепей передатчика и датчика. Поскольку минимальный петлевой ток в двухпроводных передатчиках составляет 4 мА, суммарное потребление мощности всех компонентов преобразователя должно быть значительно ниже максимально допустимого уровня, равного 3,5 мА.
Защита входа и выпрямление диодного моста
В условиях реального производства воздействие опасных электрических переходных процессов зачастую является обычным явлением. Для уменьшения разрушительного воздействия помех в схему передатчика добавлены компоненты защиты, показанные на рисунке 9. Схема защиты состоит из диодного мостового выпрямителя, TVS-диода и ферритовых шайб.
Первая линия защиты – это диод ограничителя скачков напряжения. TVS-диод отвечает за шунтирование энергии помех, сопровождающихся резким возрастанием напряжения на входе передатчика, например, электростатических разрядов. Диод направляет разрушительную энергию в землю или в обратный провод и защищает чувствительные вводы и цепи передатчика. TVS-диод включается в работу, когда напряжение на нем превышает напряжения пробоя. Эти приборы также полезны при защите от переходных процессов, поскольку они моментально переходят в состояние пробоя и часто имеют высокую номинальную мощность, что очень важно для противостояния серии последовательных импульсных атак.
В уменьшении негативного влияния переходных процессов участвуют также и пассивные компоненты. Резисторы и конденсаторы используются для подавления высокочастотных составляющих помех, а также ограничивают ток переходных режимов. Используемые в схеме ферритовые шайбы ослабляют токи переходных процессов высокой частоты, но не влияют на постоянный ток в нормальном режиме работы. В дополнение к ферритовым шарикам на входе передатчика размещен конденсатор C15, который помогает снизить высокочастотный шум.
Оборудование, методы контроля и результаты испытаний
Данная референсная разработка оснащена перемычкой для переключения источника питания MCU: токовой петли или дополнительного внешнего источника. Перемычка дает возможность блоку MCU передавать сигналы при отключенном от источника питания передатчике.
Проверка передатчика
На рисунке 10 показана тестовая установка при измерении выходного тока преобразователя. Источником напряжения 24 В служит блок HP E3631A, а ток в петле регистрируется с помощью цифрового мультиметра HP3458A.
Результаты измерений передаточной функции пяти различных плат показаны на рисунке 11.
Описание протокола HART и сертификационные испытания
Коммуникационный стандарт HART затрагивает три уровня модели OSI:
- физический;
- канальный;
- прикладной.
Все три уровня проверяются во время сертификационных испытаний на соответствие стандарту. На стадии разработки схемы передатчика токовой петли необходимо позаботиться о выполнении требований, предъявляемых стандартом к физическому уровню. Вопросы организации канального и прикладного уровней относятся к работе программного обеспечения, разработанного Smart Embedded Systems.
Далее описаны основные виды проверок, методы их проведения и необходимое оборудование для определения соответствия передатчика стандарту HART.
На рисунке 13 показана схема проверки формы HART-сигнала. Резистор 500 Ом с погрешностью не более 1% последовательно соединен с источником питания и передатчиком. Осциллограф с датчиками переменного тока регистрирует сигнал на клеммах передатчика.
Поскольку разрешение осциллографа может влиять на полученные измерения, рекомендуется настроить его таким образом, чтобы один цикл сигнала занимал большую часть экрана как по вертикальной, так и по горизонтальной шкале.
С учетом выбранных ранее компонентов в процессе измерений фиксируют 1200- и 2200 Гц составляющие сигнала.
Результаты измерений показаны на рисунках 14 и 15.
Источник: https://www.compel.ru/lib/129481
🔗 Прецизионный передатчик токовой петли 4…20 мА с HART-модемом