logo
Konspekt_lektsy_KISU_redaktirovannyy_308

20.3. Модулі вводу струму і напруги

Потенційний вхід. Потенційні входи модулів введення (рис. 20.2) використовуються для вимірювання напруги. Ідеальний потенційний вхід має нескінченно великий опір і нульову ємність, оскільки при підключенні до вимірюваного ланцюга він не повинен впливати на його динамічні або статичні характеристики. У реальних умовах внутрішній опір джерела сигналу Ri1 і опір відкритого ключа Rk1 утворюють дільник напруги з вхідним опором R1 на постійному струмі і ємкістю С1 в динамічному режимі (рис. 20.2, а). Тому повний вхідний опір модуля введення вносить методичну мультиплікативну похибку до результатів вимірювання, яку завжди потрібно оцінювати, виходячи з паспортних даних модуля. Типовими значеннями вхідних параметрів є Rk1н200Ом, R1н20МОм, С1н1нф, тому для забезпечення методичної похибки величиною 0,01% опір джерела сигналу повинен бути не більше 2кОм. Проте, оскільки вказана похибка не залежить від напруги джерела сигналу, її можна компенсувати в контролері або модулі введення.

Опори і ємність, показані на рис. 20.2а, утворюють фільтр низької частоти першого порядку з постійною часу Tн(Ri1+Rk1) C1н1,2мкс при Ri1н2кОм, С1н1 нФ, Rk1н200Ом (вважаємо, що R1>>Ri1+Rk1), який вносить також динамічну похибку до результатів вимірювання. Динамічна похибка залежить від форми вхідного сигналу.

Для модулів з диференційними входами (рис. 12.2,б) оцінка методичної погрішності робиться аналогічно.

Рис. 20.2. Потенційні одиночний (а) і диференційний (б) входи.

Для зменшення погрішності слід збільшувати вхідні опори R1, R2 і зменшувати ємкості С1, С2. Проте в схемі з диференціальним включенням збільшення R1, R2 і зниження С1, С2 веде до зростання ємкісного наведення, а також до збільшення синфазної перешкоди, викликаної вхідними струмами операційного підсилювача і атмосферною електрикою. Синфазна перешкода може стати настільки великою, що напруги на входах операційного підсилювача вийдуть за межі динамічного діапазону. Тому при роботі з диференційними входами слід дотримуватися правила виконання сигнального заземлення. Виводи AGND на рис. 20.1 і 20.2 слід сполучати з екраном кабелю джерела сигналу або не сполучати ні з чим.

Струмовий вхід. Струмові входи модулів введення використовуються для введення величини струму, наприклад стандартного сигналу 4...20 мА. Перетворення струму в напругу виконується за допомогою резистора 125, 250 або 500Ом, максимальне падіння напруги на якому складає 2,5; 5 або 10В відповідно. Для введення в контролер отриманої напруги використовується модуль з диференціальним або одиночним входом (рис. 12.3). Вимірювальні резистори можуть бути встановлені зовні модуля введення (на його вхідних клемах) або усередині.

Рис. 20.3. Струмовий вхід на основі одиночного (а) і диференційного (б) потенційного входів.

Вимірювальні резистори можуть бути прецизійними, тоді для отримання точних вимірювань досить відкалібрувати модуль тільки в режимі введення напруги. При використанні резисторів низької точності їх похибку можна компенсувати шляхом калібрування модуля спільно з вимірювальним резистором, в режимі вимірювання струму. Проте для цього необхідно виконати калібрування кожного каналу окремо. Якщо модуль не дозволяє виконувати індивідуальне калібрування кожного каналу, то формулу для внесення поправок і її коефіцієнти можна зберегти в ОРС-сервері або флеш-пам’яті ПЛК.

При використанні діапазону струмів 0...20мА струм перетвориться в напругу за формулою, для діапазону 4…20мА – по формулі . При цьому струму 4мА відповідає вихідний сигнал, рівний нулю. Зсув рівня на 4мА необхідний для забезпечення можливості діагностування обриву в ланцюзі датчика.

ЛЕКЦІЯ 21. ПРИСТРОЇ ВВОДУ-ВИВОДУ.

21.1. Виведення аналогових сигналів.

21.2. Введення дискретних сигналів.

21.3. Виведення дискретних сигналів.

21.1. Виведення аналогових сигналів.

Модулі аналогового виводу призначені для виводу з комп'ютера або контролера інформації в аналоговій формі. Аналогові сигнали на виході модулів виводу можуть бути представлені у вигляді стандартних сигналів струму (0...20 і 4...20мА) або напруги (0...5 ±10В). Модулі аналогового виводу використовуються в основному для управління виконавчими пристроями з аналоговим керованим входом, але можуть бути використані також у вимірювальних системах, для електрофізичних досліджень або побудови випробувальних стендів.

Розглянемо структуру типового модуля виведення аналогових сигналів (рис. 21.1).

Інформація в модуль виводу поступає з управляючого контролера, або комп'ютера зазвичай через інтерфейс RS-485, в деяких модулях виводу використовують інші послідовні або паралельні інтерфейси. Типовою для засобів промислової автоматики є гальванічна ізоляція аналогової вихідної частини модуля від цифрової частини, що включає мікропроцесор. Модуль управляється командами, що посилаються за допомогою стандартного протоколу Modbus RTU або DCON.

Для правильного застосування модулів аналогового виводу треба знати схему вихідного каскаду (рис. 21.1). Виведення напруги здійснюється за допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) і операційного підсилювача (ОП). Завдяки глибокому зворотному зв'язку вихідний опір ОП на постійному струмі складає соті долі Ом, що дозволяє з високою точністю вважати його ідеальним джерелом напруги. Для захисту модуля від перевантаження за виходом використовуються ОП із захистом, виконаним на тому ж напівпровідниковому кристалі, що і сам ОП.

Рис. 21.1. Структурна схема модуля виведення аналогових сигналів; ВДЖ – вторинне джерело живлення.

Внаслідок частотної залежності коефіцієнта підсилення модуль вихідного опору каскаду на ОП rвих(f) залежить від частоти:

(21.1)

де f — частота, на якій шукається вихідний опір; r0 — вихідний опір ОП без зворотного зв'язку; f1 — частота одиничного посилення ОП, зазвичай рівна 1МГц; K0 — коефіцієнт посилення ОП на постійному струмі (на нульовій частоті). Приведений вираз справедливий з погрішністю близько 10% при f0<f<10f1, де f0нf1K0 — гранична частота ОП без зворотного зв'язку по рівню 0,702. Наприклад, при типових значеннях r0=100Ом, f1=1МГц; К0=105 отримаємо rвих=10-3Ом на постійному струмі, але rвих=1Ом на частоті 1кГц і rвих=10Ом на частоті 10кГц.

Частотну залежність вихідного опору слід враховувати при розрахунку рівня наведених перешкод, а також методичній похибці модуля виводу, обумовленій впливом опору навантаження на величину вихідної напруги.

Для виведення аналогового сигналу у формі струму використовуються джерела струму на основі ОП із зворотним зв'язком (див. каскади з виходами Iout0..., Iout3 на рис. 21.1). Принцип їх дії заснований на тому, що ОП з негативним зворотним зв'язком має нульову напругу між його входами завдяки високому коефіцієнту підсилення. Тому вся вхідна напруга виявляється прикладеною до опору r0 (рис. 13.1, верхній за схемою каскад) і вихідний струм рівний вхідній напрузі, поділеній на r0. Для того, щоб струм, що протікає через r0, був точно рівний вихідному струму, як транзистор на рис. 21.1 використовують біполярний транзистор з ізольованим затвором або пару з біполярного і МОП-ТРАНЗИСТОРА.

Модуль комплексного вихідного опору джерела струму rвих(f) можна знайти, використовуючи просту модель МОП-ТРАНЗИСТОРА, що враховує його вихідний опір:

де Rd — диференційний вихідний опір МОП-ТРАНЗИСТОРА; S — крутизна МОП-ТРАНЗИСТОРА; решту параметрів мають той же сенс і порядок типових величин, що і у формулі (13.1). Для типових значень цих параметрів і при Rd=100кОм отримаємо rвих=5*1011Ом, тобто вихідний опір фактично визначається опором витоків друкарської плати. Проте на частоті f=10кГц модуль комплексного вихідного опору rвих=50МОм і далі падає із зростанням частоти.

Таким чином, джерело струму з достатньо високим ступенем точності і для всіх частот можна вважати «ідеальним», і його вихідний опір можна не враховувати при використанні типового навантаження 250Ом в стандартній «струмовій петлі» 4...20мА.

Для живлення транзистора в джерелах струму, побудованих за розглянутою схемою, потрібне додаткове джерело живлення Eпит яке зазвичай розташовується поза модулем виводу (рис. 21.2).

Рис. 21.2. Вихідні каскади для впадаючого (а) і витікаючого (б) струмів. Схема (а) вимагає додаткового джерела живлення.

Стабілітрон на рис. 21.2. служить для оберігання транзистора від зовнішньої напруги неправильної полярності і перевищення напруги над допустимим значенням.

Недоліком приведених каскадів є неможливість зміни напряму струму на протилежний, що пов'язано із застосуванням транзисторів одного типу провідності або з одним типом каналу. Складніші двуполярні схеми в модулях виводу для промислової автоматики не застосовуються.

Похибка модуля виводу складається з наступних основних складових:

Похибка типового модуля введення складає 0,1% від верхньої межі діапазону (±10В для потенційного виходу і 0...20мА для струмового), розрядність — 12біт, дискретність зміни вихідної величини — 5мВ для напруги і 5мкА для струму, тобто 0,05% від ширини діапазону. Управляється модуль стандартними командами Modbus RTU або командами в ASCII кодах за протоколом DCON.