Балансный канал

Наиболее совершенной на настоящий момент системой передачи сигналов является балансная цепь, реализованная в интерфейсах RS-485 и CAN (рис. 3.86). В ее основе лежат следующие принципы:

применение балансного источника сигнала;
применение витой пары с идентичными характеристиками проводов;
применение дифференциального приемника сигнала;
передача мощности (а не тока или напряжения).

Идея, положенная в основу балансного канала передачи электрических сигналов, состоит в компенсации индуктивных и емкостных наводок и в ослаблении кондуктивных. Для обеспечения хорошей компенсации помех в дифференциальном приемнике сигнала они должны быть одинаковы на обоих входах дифференциального усилителя. Для этого:

источник сигнала должен иметь идентичные выходные сопротивления по обоим выходам как на постоянном токе, так и во всем диапазоне частот передаваемых сигналов;
линия связи (витая пара, лучше экранированная) должна иметь одинаковые для обоих проводов пары продольные сопротивление и индуктивность (для идентичности индуктивных наводок);
витая пара должна иметь одинаковые емкости на землю для обоих проводов пары (для идентичности емкостных наводок);
дифференциальный приемник должен иметь одинаковые частотные характеристики по обоим входам и высокую точность операции вычитания.

Для хорошей компенсации помех дифференциальный приемник должен иметь строго одинаковые коэффициенты передачи по обеим каналам и высокую точность операции вычитания (см. выше). Для подавления синфазной помехи приемник должен иметь большой коэффициент подавления синфазного сигнала. Помехоустойчивость канала улучшается также благодаря тому, что балансный передатчик позволяет повысить в 2 раза размах передаваемого сигнала (см. рис. 3.75).

Перечисленные принципы успешно реализованы в интерфейсе RS-485, чем и объясняется его высокая популярность.

Интерфейс CAN отличается от RS-485 тем, что рецессивное состояние в нем реализовано с помощью транзисторного ключа, который отключает линию связи от передатчика. При этом внутреннее сопротивление источника скачком изменяется от низкого на бесконечно большое, т.е. передатчик переходит в режим передачи тока нулевой величины. Поэтому при передаче логической единицы (доминантного состояния) передатчик является источником напряжения и подвержен влиянию преимущественно индуктивных наводок, а при передаче логического нуля (рецессивного состояния) более подвержен влиянию емкостных наводок.

Рис. 3.86. Балансная схема передачи дифференциального сигнала

3.4. Паразитные связи

Помехи могут передаваться от источника помехи к ее приемнику через паразитные (т. е. нежелательные) связи: кондуктивные, емкостные и индуктивные. Прежде чем переходить к их рассмотрению, нужно правильно указать источник и приемник помехи, которые часто сложно выделить в составе контроллеров, модулей ввода-вывода, многочисленных линий связи и кабелей с разнообразными сигналами. Для упрощения этой задачи рассмотрим сначала модели компонентов систем промышленной автоматики, в которых оставлены только элементы, которые участвуют в процессе генерации, передачи и приема помехи.

3.4.1. Модели компонентов систем автоматизации

Описанные ниже модели для анализа помех получены путем исключения из структуры соответствующих модулей ввода-вывода элементов, которые не влияют на величину помех [Денисенко, Денисенко]. Модули аналогового ввода и дискретного вывода бывают без гальванической изоляции (рис. 3.87-а, с изоляцией аналоговых входов и без изоляции дискретных входов (рис. 3.87-б - например, модуль ADAM-4016 фирмы Advantech) и с изоляцией одновременно как аналоговых входов, так и дискретных выходов (рис. 3.87-а - например, модуль NL-8TI фирмы RealLab!).

На рисунках использованы следующие обозначения: AGND - аналоговая земля; DGND - цифровая земля; GND - земля источника питания порта связи; Data - информационный порт модуля (вход/выход данных); - аналоговый вход; - дискретный выход; - дискретный вход; - аналоговый выход; - клемма подключения источника питания. Разрыв модулей (блоков) на рис. 3.87 - рис. 3.89 означает гальваническую изоляцию между разорванными частями.

Аналогично, модули с дискретными или счетными входами и дискретными выходами могут быть без гальванической изоляции (рис. 3.88-а - например, ADAM-4050 фирмы Advantech), с изоляцией входов (рис. 3.88-б - например, ADAM-4052 фирмы Advantech) и с изоляцией как входов, так и выходов (рис. 3.88-в - например, NL-16DI фирмы RealLab!). Модули аналогового вывода делают обычно с гальванической изоляцией выходов (рис. 3.89). Таким образом, один модуль ввода-вывода может содержать до трех различных выводов земли.

В моделях на рис. 3.87 - рис. 3.89 с целью упрощения не показаны входные сопротивления, которые иногда нужно учитывать.

Рис. 3.87. Обобщенные модели аналоговых модулей ввода и дискретного вывода для анализа систем заземления: а) - без гальванической изоляции; б) - с гальванической изоляцией аналоговых входов; в) - с изоляцией как входов, так и выходов

Рис. 3.88. Обобщенные модели дискретных модулей для анализа систем заземления: а) - без гальванической изоляции; б) - с изоляцией входов; в) - с изоляцией и входов, и выходов

Рис. 3.89. Обобщенная модель модулей аналогового вывода для анализа систем заземления

3.4.2. Паразитные кондуктивные связи

Кондуктивная наводка - это помеха, которая передается из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путем переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания. Обычно источниками кондуктивных помех являются генераторы (на рис. 3.90обозначен буквой "М"), цепи с большим током, цифровая часть аналого-цифровой схемы, реле, сеть питания 220 В, помехи с частотой преобразования источника бесперебойного питания (UPS), DC-DC и AC-DC преобразователи, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением.

Пример появления кондуктивной помехи показан на рис. 3.90. Падение напряжения на участке провода, общем для сигнала и некоторой (относительно мощной) нагрузки , через которую протекает ток , суммируется с напряжением полезного сигнала и прикладывается ко входу приемника . Даже цепь, состоящая из нескольких операционных усилителей, может создать на проводе длиной в 20 см падение напряжения более 1 мВ, что сравнимо с величиной МЗР 12-разрядного приемника сигнала. Особенно большие проблемы может создать цифровое устройство, работающее в момент передачи аналогового сигнала.

Решением описанной проблемы является подсоединение "земли" источника сигнала к приемнику отдельным изолированным проводом, который не используется ни для каких иных целей (рис. 3.91).

Рис. 3.90. Ток нагрузки М, равный и протекающий по общему участку "земляного" провода, создает падение напряжения

Рис. 3.91. Решение проблемы: "земли" источника сигнала и приемника следует соединять отдельным проводом

Для предотвращения возникновения описанной проблемы следует различать понятия "силовая земля", "аналоговая земля", "цифровая земля". Все эти "земли" должны быть выполнены разными проводами и их нужно соединять только в одной общей точке. Сигнальные цепи нельзя использовать для питания даже маломощной аппаратуры.

Рассмотренный вариант аналогичен показанному на рис. 3.82, однако в данном случае падение напряжения между землей источника и приемника вызвано не блуждающими токами в земле, как на рис. 3.82, а токами через расположенные рядом устройства.

Другой пример появления кондуктивной помехи показан на рис. 3.92-а. Ток питания цифровой части модуля ввода проходит по общему участку провода, который имеет сопротивление и создает на нем падение напряжения помехи . При дополнительно неправильном соединении аналогового входа модуля ввода с источником сигнала (на рис. 3.92-а показано зачеркнутой линией) ко входу модуля прикладывается сумма напряжения измеряемого сигнала и напряжения помехи . При более правильном соединении входа "-" модуля с источником сигнала (показано штриховой линией) на вход модуля действует синфазная помеха , которая при недостаточном коэффициенте подавления синфазного сигнала может вносить погрешность в результат измерения.

Для устранения обоих источников погрешности соединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной общей точке (рис. 3.92-б). При этом падение напряжения помехи на заземляющем проводнике никак не сказывается на аналоговой части модуля.

а)

б)

Рис. 3.92. Прохождение кондуктивной помехи из цифровой части в аналоговую: а) - неправильное соединение земель и цепей сигнала; б) - правильное соединение

3.4.3. Индуктивные и емкостные связи

Предположим, что рядом с сигнальным проводом проходит некоторый провод, по которому протекает ток помехи (рис. 3.93). Тогда вследствие эффекта электромагнитной индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи . В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводимого на сигнальном проводе, будет равна

(3.8)

где - взаимная индуктивность между проводами, - индуктивность сигнального провода;  - амплитуда тока помехи; , - частота тока помехи.

Величина взаимной индуктивности пропорциональна площади витка, который пересекается магнитным полем помехи. "Витком" в данном случае является контур, по которому протекает ток, вызванный э.д.с. помехи. На рис. 3.93 этот контур образован сигнальным проводом, входным сопротивлением приемника, проводом "земли" и выходным сопротивлением источника сигнала. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть минимальной, т.е. сигнальный провод должен быть проложен максимально близко к земляному (а еще лучше - свит с ним). Эффективную площадь "витка" можно уменьшить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскости контура с током помехи.

Рис. 3.93. Пути прохождения емкостной и индуктивной помехи от источника

Рис. 3.94. Канал передачи сигнала с помощью тока менее чувствителен к индуктивным наводкам

Из формулы (3.8) следует, что индуктивная наводка увеличивается с ростом частоты и отсутствует на постоянном токе. Напряжение помехи на рис. 3.93 включено последовательно с источником сигнала, то есть вносит аддитивную погрешность в результат измерения. При бесконечно большом сопротивлении напряжение на входе приемника имеет вид: и не зависит от сопротивления источника сигнала.

Емкостная наводка через паразитную емкость между проводниками , наоборот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала , поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления , включенного параллельно , и емкости (рис. 3.93):

(3.9)

Как следует из (3.9), при =0 емкостная помеха полностью отсутствует. В действительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить емкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротивлением. Особенно важно учитывать индуктивность сигнального провода в случае высокочастотных помех.

Порядок величин сопротивлений типовых источников сигнала приведен в табл. 3.25.

Табл. 3.25. Типовые источники сигнала и порядок величины их сопротивлений
Источник сигнала	Полное сопротивление
Термопара	< 20 Ом
Терморезистор	> 1 КОм
Резистивный датчик сопротивления	50...100 Ом
Полупроводниковый датчик давления	> 1 КОм
Тензодатчик	< 1 КОм
Стеклянный pH электрод	> Ом
Потенциометрический датчик перемещения	от 500 Ом до 100 КОм
Операционный усилитель с обратной связью	Ом

Датчики, имеющие большое внутреннее сопротивление или малое напряжение сигнала, нужно использовать совместно с усилителем, расположенным в непосредственной близости к датчику, а к приемнику следует передавать уже усиленный сигнал.

Дуальная ситуация по отношению к рассмотренной означает, что для устранения индуктивной наводки носителем сигнала должен быть ток, а не напряжение, т. е. источником сигнала должен быть идеальный источник тока (рис. 3.94). Ток источника тока не зависит от характера нагрузки (по определению), в том числе от величины наведенной э.д.с.

Таким образом, для снижения емкостной наводки сигнал нужно передавать с помощью идеального источника напряжения, а для снижения индуктивной наводки - с помощью идеального источника тока.

Выбор носителя информации (ток или напряжение) в конкретном случае зависит от того, какая помеха преобладает: токовая или емкостная. Как правило, емкостные наводки преобладают над индуктивными, если источник помехи имеет большое напряжение. Индуктивные же помехи создаются током, поэтому они велики в случае, когда источником помехи является мощное оборудование, потребляющее большой ток. Отметим, что экранирование низкочастотной индуктивной наводки технически гораздо сложнее, чем емкостной, поскольку магнитный экран изготавливается из толстоголиста ферромагнитного материала.

Преимущества передачи сигнала в форме тока и в форме напряжения совмещаются в промежуточном случае, когда информации передается путем передачи максимальной мощности, т.е. когда сопротивление приемника равно сопротивлению источника сигнала . При этом достигается максимум мощности, передаваемой от источника к приемнику. Отношение мощности помехи к мощности сигнала определяет величину погрешности, вносимой помехами в канал передачи информации. Поэтому в общем случае для получения качественной передачи можно просто увеличивать мощность сигнала , для получения чего достаточно уменьшить сопротивление приемника . Однако сигнал большой мощности порождает помехи для других устройств, поэтому данный путь в промышленной автоматизации не используется.

Содержание