3. Вывод аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы на выходе средств вывода обычно являются стандартными сигналами тока (0...20 и 4...20 мА) или напряжения (0...5, ±10 В). Эти сигналы используются для управления аналоговыми исполнительными устройствами ПА.

Структуру типового модуля вывода аналоговых сигналов показана на рис. 3.4.).

ВИП - вторичный источник питания

Рис. 3.4. Структурная схема модуля удаленного вывода аналоговых сигналов NL-4AO[НИЛ АП].

Информация поступает из СПУ обычно через интерфейс RS-485 (в некоторых модулях вывода используют другие последовательные или параллельные интерфейсы). Типичным для средств ПА является гальваническая изоляция аналоговой выходной от цифровой, включающей микропроцессор. Модуль управляется командами, посылаемыми с помощью стандартного протокола Modbus RTU или DCON.

Вывод напряжений осуществляется с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и операционного усилителя (ОУ). Благодаря глубокой обратной связи выходное сопротивление ОУ на постоянном токе составляет сотые доли ОМа, что позволяет с высокой точностью считать его идеальным источником напряжения. Для защиты от перегрузки по выходу используются ОУ с защитой, выполненной на том же полупроводниковом кристалле, что и сам ОУ.

Вследствие частотной зависимости коэф-та усиления выходное сопротивления каскада на ОУ r_вых (f) зависит от частоты:

r_вых (f) = (r₀ /K₀) (f₁ /f) (3.1)

где f - частота, r₀ – выходное сопротивление ОУ без обратной связи; f_{1 -} частота единичного усиления ОУ, обычно равная 1 МГц; К₀ – коэф-т усиления ОУ на постоянном токе (на нулевой частоте). Приведенное выражение справедливо с погрешностью около 10 % при f₀ < f < 10 f₁ , где f₀ ≈ f₁ * K₀ - граничная частота ОУ без обратной связи по уровню 0,702 (например, при типовых значениях r₀ = 100 Ом, f₁ = 1 МГц; К₀ = 10⁵ получим r_вых = 10^-3 Ом на постоянном токе, но r_вых = 1 Ом на частоте 1 кГц и r_вых = 10 Ом на частоте 10 кГц.

Частотную зависимость выходного сопротивления следует учитывать при расчете уровня наведенных помех, а также методической погрешности модуля вывода, обусловленной влиянием сопротивления нагрузки на величину выходного напряжения.

Для вывода аналогового сигнала в форме тока используются источники тока на основе ОУ с обратной связью (на рис. 3.4 - каскады с выходами Iout0,..., Iout3). Принцип их действия основан на том, что ОУ с отрицательной обратной связью имеет нулевое напряжение между его входами благодаря высокому коэф-ту усиления. Поэтому все входное напряжение оказывается приложенным к сопротивлению r₀ (на рис. 3.4 верхний по схеме каскад) и выходной ток равен входному напряжению, деленному на r₀. Чтобы ток, протекающий через r₀, был точно равен выходному току, выходным является полевой транзистор с изолированным затвором или пара из биполярного и МОП-транзистора.

Модуль комплексного выходного сопротивления источника тока r_вых (f) можно найти, используя простейшую модель МОП-транзистора, учитывающую его выходное сопротивление:

r_вых (f)= (R_d + r₀) Sr₀ f₁/ K₀ f ≈ R_d Sr₀ f₁/ K₀ f (3.2)

где R_d - дифференциальное выходное сопротивление МОП-транзистора; S – его крутизна; остальные параметры имеют тот же смысл и порядок типовых величин, что и в (3.1). Для типовых значений этих параметров и при R_d = 100 кОм получим r_вых = 5 10¹¹ Ом, т.е. выходное сопротивление фактически определяется сопротивлением утечек печатной платы. Однако на частоте f = 10 кГц модуль r_вых = 50 МОм и далее падает с ростом частоты.

Рис. 3.5. Выходные каскады для втекающего (а) и вытекающего (б) токов. Схема а требует дополнительного источника питания

Таким образом, источник тока с достаточно высокой степенью точности для всех частот можно считать «идеальным», и его выходное сопротивление можно не учитывать при использовании типовой нагрузки 250 Ом в стандартной «токовой петле» 4...20 мА.

Для питания транзистора в источниках тока, требуется дополнительный источник питания Е_пит, который обычно располагается вне модуля вывода ((рис. 3.5), и гл. ХХХ 2).

Стабилитрон на рис. 3.5 служит для предохранения транзистора от внешних напряжений неправильной полярности и превышения напряжения над допустимым значением.

Недостатком приведенного каскада является невозможность изменения направления тока на противоположное, что связано с применением транзисторов одного типа проводимости или с одним типом канала. Более сложные 2-полярные схемы в модулях вывода для ПА не применяются.

Состав погрешности средств вывода:

• погрешность дискретности ЦАП;

• стабильность источника опорного напряжения;

• внутренний шум;

• ненулевое выходное сопротивление.

Погрешность типового модуля ввода (на примере модуля NL-4AO [НИЛ АП], составляет 0,1 % от верхней границы диапазона (±10 В для потенциального выхода и 0...20 мА для токового), разрядность - 12 бит, дискретность изменения выходной величины - 5 мВ для напряжения и 5 мкА для тока, т.е. 0,05 % от ширины диапазона.