Комбинированный аналоговый выход тока и напряжения для промышленного применения

В промышленности широко используются аналоговые выходы, которые выдают в сеть либо точное значение напряжения, либо точное значение тока. Давайте рассмотрим решение на основе ЦАП типа DAC8760, позволяющее одновременно реализовать два стандартных аналоговых выхода – тока и напряжения – задействовав при этом всего две клеммы вместо трех. Такое комбинированное решение позволяет снизить стоимость проводниковых материалов, уменьшить количество разъемов и сделать более универсальной конструкцию аналогового выхода. Данная схема позволяет реализовать токовые стандарты 4…20 мА, 0…20 мА и 0…24 мА, а также различные стандарты аналоговых выходов по напряжению: 0…5 В, ±5 В, ±10 В и другие. 

Технические характеристики

Конструкция передатчика должна советовать следующим требованиям:

• напряжение питания: ±15 В;
• цифровой вход: 4-проводной SPI;
• цифровая изоляция: 4 кВ;
• разрешение: 16 бит;
• выходное напряжение: ±10 В с возможностью перенапряжения 10%;
• токовый выход: 0…24 мА;
• температура: 25°C.

В таблице 1 представлены измеренные и рассчитанные по результатам моделирования значения полной нескорректированной погрешности. На рисунке 1 показаны измеренные передаточные функции аналогового выхода в режимах выходного напряжения и выходного тока.

Рис. 1. Результаты измерения передаточной функции

Таблица 1. Полная нескорректированная погрешность модуля

Принцип действия

На рисунке 2 показана упрощенная версия схемы ЦАП DAC8760, используемого для создания комбинированного аналогового выхода. Выход 0…5 В управляет режимом работы одновременно цепей токового выхода I_OUT и выхода по напряжениюV_OUT. Для корректной работы ЦАП необходим высокоточный источник опорного напряжения V_REF с небольшими значениями температурного дрейфа. Питание цифровых цепей и цепей питания операционных усилителей AV_DD осуществляется с помощью стабилизатора с выходным напряжением V_REG до 5 В.

Рис. 2. Упрощенная схема DAC8760

Схема токового выхода

Цепь токового выхода включает два операционных усилителя А₁ и А₂, два MOSFET-транзистора Q₁ и Q₂ и три токочувствительных резистора R_SET, R_S2 и R_S3. Двухступенчатый источник тока приводит в действие выход ЦАП, который управляет усилителем в цепи токового выхода.

Когда выход V_OUT активен, транзистор Q₂ заперт, и его ток не искажает выходной сигнал по напряжению. 

Схема выхода по напряжению

Цепь выхода по напряжению включает в свой состав операционные усилители А₃, А₄ и цепь обратной связи усилителя А₃, образованную резисторами из R_F, R_G1 и R_G2. А₃ работает как усовершенствованный суммирующий усилитель, неинвертирующий вход которого управляется ЦАП, а инвертирующий подключен по одной цепи к заземлению, а по второй – к источнику опорного напряжения. Такая конфигурация позволяет использовать ЦАП с одним выводом 0…5 В для создания как однополярных выходов 0…5 В, 0…10 В, так и биполярных выходов ±5 В, ±10 В. Схема переключения резисторов R_G1 и R_G2 необходима для выбора нужной величины сопротивления, в зависимости от режима работы выхода.

Операционный усилитель А₄ отделяет цепь обратной связи А₃ от выходного каскада модуля. Благодаря А₄ резисторы R_F, R_G1 и R_G2 не создают дополнительного сопротивления в цепи выходного тока и не уменьшают тем самым возможный ток через нагрузку выхода. Тем не менее, операционный усилитель А₄, находясь в цепи обратной связи А₃, вносит дополнительную погрешность в схему аналогового выхода по напряжению. Учитывая, что А₄ работает в буферном режиме, можно пренебречь его нелинейностью и погрешностью усиления, однако его напряжение смещения следует непосредственно включать в напряжение смещения каскада выхода по напряжению V_OUT. 

Цифровая изоляция

Большинство модулей аналоговых выходов должно быть изолировано от корпуса прибора, а также от других модулей. Обычно гальваническая развязка обеспечивается изоляцией цифровых сигналов между главным процессором/контроллером и ЦАП в схеме аналогового выхода. Существует множество способов создания такой изоляции. Гальваническая (емкостная) изоляция обладает целым рядом неоспоримых преимуществ. 

Выбор компонентов

Подробная схема модуля с указанием выбранных компонентов показана на рисунке 3.

Рис. 3. Подробная схема комбинированного аналогового выхода

ЦАП DAC8760

В состав DAC8760 входят ЦАП, операционные усилители A₁, A₂ и A₃, стабилизаторы напряжения V_REG и V_REF, а также ключи, транзисторы и резисторы, необходимые для создания настраиваемого драйвера токовых и выходов по напряжению для промышленного применения. Полная нескорректированная погрешность DAC8760 не превосходит 0,1% диапазона регулирования и включает в себя погрешность смещения, погрешность усиления и погрешность интегральной нелинейности при 25°С. Полная погрешность не более 0,1% диапазона регулирования справедлива для различных типов выходных каскадов по току и по напряжению, и закладывает отличную основу для создания прецизионных аналоговых схем. Наибольшая дифференциальная нелинейность ±1 наименьший значимый бит обеспечивает абсолютно монотонную работу выходов по току, и напряжению.

Интегральная нелинейность ЦАП вносит погрешность всего 0,022% от максимального значения из диапазона регулирования для выходного напряжения V_OUT и 0,024% для выходного тока I_OUT. Встроенный источник обеспечивает для ЦАП точное опорное напряжение V_REF с температурным дрейфом не более 10 мкВ/°С. Четырехпроводной коммуникационный SPI-порт позволяет управлять одновременно несколькими устройствами DAC8760, используя четырехканальный цифровой изолятор для создания модулей с несколькими аналоговыми выходами.

Операционный усилитель: OPA192

Буферный усилитель входит в схему обратной связи цепи выходного напряжения DAC8760. Любые погрешности по постоянному току этого усилителя сказываются на точности выходного напряжения всей схемы. Небольшое напряжение смещения, небольшой температурный дрифт этого напряжения, высокие коэффициенты подавления нестабильности питания и подавления синфазного сигнала способствуют тому, что итоговая погрешность, вносимая усилителем, будет как можно меньше. Для уменьшения влияния операционного усилителя на качество выходного токового сигнала I_OUT применяют компоненты с небольшим входным током смещения, такие как операционные усилители на основе полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, полевых КМОП-транзисторов или биполярных транзисторов.

OPA192 – это прецизионный операционный усилитель на КМОП-транзисторах, напряжение смещения которого в большинстве случаев составляет всего 5 мкВ и не превосходит 25 мкВ. Температурный дрифт напряжения смещения OPA192 обычно равен около 0,2 мкВ/°C, но не превышает 0,5 мкВ/°C. Коэффициент подавления синфазного сигнала составляет 110 дБ, а коэффициент подавления нестабильного питания – 0,5 мкВ/В на всем диапазоне напряжений +4…+36 В. КМОП-транзисторы операционного усилителя вносят в схему токовую погрешность не более чем 20 пА. Ширина полосы пропускания усилителя составляет 10 МГц, скорость нарастания сигнала – 20 В/мкс, а время установления сигнала при его изменении на 0,01% не превышает 1 мкс. Один из выходов типа rail-to-rail может быть подключен к земле при работе в схеме с однополярным источником питания. 

Цифровой изолятор ISO7641

DAC8760 имеет четыре входа для организации двунаправленной связи: SCLK, DIN, SDO и LATCH. Эти выходы должны бить изолированы от входов головного процессора с помощью цифрового изолятора. ISO7641 обеспечивает гальваническую развязку более 4 кВ и позволяет выполнять обмен данными на скорости до 25 МБ/с. 

Пассивные компоненты

На печатной плате устройства предусмотрено место для установки внешнего резистора R_SET. Если это место остается пустым – то не остается других пассивных компонентов, которые могут внести погрешность в работу схемы. Если же внешний резистор R_SET используется, то он должен обладать высокой точностью и малым температурным коэффициентом.

В случае, когда аналоговый выход работает с большой емкостной нагрузкой, может потребоваться использование дополнительного компенсирующего конденсатора. Емкость этого компенсатора выбирается в соответствии с рекомендациями заводской документации на ЦАП DACx760. Все конденсаторы, используемые в схеме, должны быть рассчитаны на напряжение значительно большее, чем то, под которым они будут находиться в процессе работы, для того чтобы поддерживать их емкость на постоянном уровне во время прохождения сигнала. Рекомендуется использовать изолирующие конденсаторы типа C0G/NP0 (предпочтительно) или X7R. 

Расчет производительности схемы

Расчет точности токового выхода

Производительность цепей токового выхода основывается на погрешности работы DAC8760. Небольшой ток смещения OPA192, всего 20 пА, показанный на рисунке 4, значительно меньше, чем выходной шум ЦАП, и не оказывает значительного влияния на точность работы токового выхода. Ожидаемая производительность выхода может быть рассчитана на основе паспортных данных, приведенных на рисунке 5.

Рис. 4. Заводские данные OPA192

Рис. 5. Заводские данные DAC8760

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 2.

Таблица 2. Результаты расчета характеристики токового выхода 0…24 мА

Расчет точности выхода напряжения

В цепь обратно связи DAC8760 V_OUT включен операционный усилитель. Итоговая погрешность выходного напряжения складывается из погрешностей ЦАП и этого операционного усилителя. Поскольку усилитель работает в режиме буфера, он не вносит в схему погрешности усиления и нелинейности. Величины напряжения смещения и коэффициента подавления синфазного сигнала OPA192, взятые и заводской документации, показаны на рисунке 6. В режиме буфера синфазное напряжение изменяется согласно входному сигналу и способствует дополнительной погрешности смещения. Наибольшей величины эта погрешность достигает при напряжениях +10 В и -10 В и может быть рассчитана по формуле 1. Напряжение смещения OPA192 складывается непосредственно с напряжением смещения биполярного нуля DAC8760, в соответствии с рисунком 7.

Рис. 6. Заводские данные OPA192

Рис. 7. Заводские данные DAC8760

$$V_{OS\_OPA192}=V_{OS}+V_{OS\_CMRR}=5мкВ+\frac{10В}{{10}^{\frac{110}{20}}}=36.62мкВ(1)$$

Поскольку эти два напряжения смещения не коррелированы, суммарная погрешность смещения может быть рассчитана как корень из суммы квадратов отдельных составляющих, как указано в формуле 2:

$$V_{OS\_TOTAL}=\sqrt{{\left(V_{OS\_OPA192}\right)}^2+{\left(V_{OS\_DAC8760}\right)}^2}=\sqrt{{\left(0.0366мВ\right)}^2+{\left(1мВ\right)}^2}\approx 1мВ(2)$$

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 3.

Таблица 3. Результаты расчета характеристики выхода по напряжению ±10 В

Печатная плата

Для оптимизации работы схемы печатную плату выполняют в соответствии со стандартными рекомендациями по компоновке печатных плат, в том числе касающимися разделения интегральных схем и правильного подключения питания и заземления. Вход +V_SENSE DAC8760 подключается непосредственно к выходной клемме, а не ко входу V_OUT, для того чтобы избежать лишнего падения напряжения на проводящих дорожках. Схема печатной платы аналогового выхода показана на рисунке 8.

Рис. 8. Печатная плата

Измерение характеристик устройства

Измерение характеристик цепи токового выхода

Передаточная функция по постоянному току при работе выхода в режиме 0…24 мА получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Сопротивление нагрузки – 300 Ом, напряжение источника питания – ±15 В. Результаты измерений приведены в таблице 4 и показаны на рисунке 9.

Рис. 9. Результат измерения передаточной функции токового выхода 0…24 мА

Таблица 4. Результаты расчета и измерения погрешностей токового выхода 0…24 мА

Измерение характеристик цепи выхода напряжения

Передаточная функция по постоянному току при работе выхода в режиме ±10 В получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Сопротивление нагрузки – 1 кОм, напряжение источника питания – ±15 В. Результаты измерений приведены в таблице 5 и показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Результат измерения передаточной функции выхода по напряжению ±10 В

Таблица 5. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода по напряжению ±10 В

Результаты измерений характеристик аналогового выхода

Полученные ранее результаты измерений, расчетов, а также желаемые характеристики аналогового выхода объединены в таблице 6.

Таблица 6. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода

Аналоги и модификации

DAC7760 – 12-битный эквивалент DAC8760, который может заменить его в схемах, где допустима меньшая разрядность устройства. Также комбинированный выход может быть выполнен на основе дискретного ЦАП, например, DAC856x, и выходного драйвера XTR300.

Для модулей с только токовым выходом I_OUT применимы решения с интегрированными 12- и 16-битными ЦАП семейства DACx750. Для вариантов с дискретным выходным током применяют DAC856x и драйверы вывода XTR111.

В предложенной схеме в качестве буферного усилителя может применяться любой аналог с напряжение питания +36 В, отличной от OPA192. Однако, как упоминалось в разделе «Операционный усилитель: OPA192» , погрешности по постоянному току усилителя, в сочетании с погрешностями ЦАП, влияют на производительность выхода по напряжению V_OUT. Выбор операционного усилителя с малым значением напряжения смещения, низким температурным дрейфом этого напряжения, высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания предотвратит снижение производительности всей системы. OPA192 – высокоточное устройства серии E-trim. Другие операционные усилители этой серии также отлично подходят для использования в схеме. Аналогичными характеристиками обладают усилители из серии Zero-drift, такие как OPA188. В схеме можно использовать и операционные усилители на напряжение +36 В: OPA277, OPA170 или OPA140 (таблица 7). При использовании усилителей с однополярным питанием необходимо, тем не менее, наличие выхода для подключения напряжения отрицательной полярности как в цепи входного сигнала, так и в цепи выходного сигнала.

Таблица 7. Варианты операционных усилителе +36 В

Оригинал статьи

Исчтоник: Компэл