Изоляция между входом и выходом является важным требованием к современным системам сбора данных [1]. В медицинской и измерительной аппарату- ре гальваническая развязка по постоянному току позволяет измерять слабые информативные сигналы на фоне помех общего и нормального вида. Кроме того, гальваническая развязка позволяет изолировать высоковольтное оборудование от чувствительных элементов АЦП и усилителей и уберечь пациентов от фатальных последствий. Помимо этого изоляция между входом и выходом применяется в автоматизированных системах управления технологическими процессами в электрометаллургии, горнодобывающей, химической промышленности и т. п. для создания искровзрывобезопасного оборудования.
Для гальванической развязки цепей передачи цифровых сигналов наибольшее распространение получили оптопары. Типовая схема включения оптопары приведена на рис. 1. Схема состоит из датчика (trans-ducer), ПНЧ (AD7740) и оптопары (CNY17-3). Таким образом, напряжение, снимаемое с выхода датчика, преобразуется в последовательность импульсов, которые через оптопару поступают в контроллер. Недостатком приведенной на рис. 1 схемы является невысокое быстродействие оптопары. Введением положи- тельной обратной связи можно повысить скорость преобразования оптопары не менее чем в 10 раз (рис. 2). Применение дифференциального драйвера линии PS2502-2 позволяет увеличить частоту передачи данных с 5 до 32 кГц (рис. 3). Такое решение наиболее предпочтительно при построении микромощной аппаратуры с напряжением питания 3 В, тактовой частотой ПНЧ 32 кГц и мощностью потребления несколько милливатт. В режиме покоя при отключении генератора тактовой частоты потребление системы сбора данных (рис. 3) − не более 0.09 мВт.
Рис. 1. Гальваническая развязка на основе оптопары
Рис. 2. Гальваническая развязка на основе оптопары с положительной обратной связью
Рис. 3. Включение оптопары в дифференциальном режиме
Если необходимо обеспечить высокую скорость передачи данных, вместо оптической используют трансформаторную связь. На рис. 4 приведена измерительная система, в которой изоляцию между входом и вы- ходом обеспечивает микросхема на основе воздушного трансформатора ADuM1100 (более подробно особенности этой ИМС рассмотрены ниже). Скорость передачи данных в такой системе достигает 100 Мбит/с, потребление ADuM1100 не превышает 0.6 мА, а динамическое потребление − 230 мкА на 1 Мбит/с. Максимальная тактовая частота составляет 1 МГц. Применение изолятора трансформаторного типа ADuM1100 позволяет строить распределенные системы сбора данных с использованием шин Profibus, DeviceNet и др. (рис. 5).
Рис. 4. Схема включения изолятора трансформаторного типа ADuM1100
Рис. 5. Структурная организация сетевых систем с использованием изолятора ADuM1100
Если необходимо обеспечить гальваническую раз- вязку не только сигнальных цепей, но и цепей питания, в качестве изолятора с трансформаторной связью используется ИМС типа AD204 (рис. 6). Применение данной ИМС позволяет исключить дополнительный DC/DC-преобразователь, что существенно снижает стоимость проектируемого устройства в целом. В при- веденном на рис. 6 устройстве, предназначенном для измерения температуры, изолятор AD204 формирует напряжение питания стабилизатора ADM663А, который, в свою очередь, обеспечивает питание температурного датчика AD22100A. Выход датчика изолирован от входа АЦП с помощью той же ИМС типа AD204. Функциональная схема ИМС AD204 приведена на рис. 7 и представляет собой изолирующий усилитель, обеспечивающий гальваническую развязку как сигнальных, так и цепей питания. Коэффициент ослабления синфазного сигнала AD204 составляет 130 дБ при коэффициенте усиления 100, напряжение изоляции 2000 В от пика к пику. При напряжении пита- ния датчика AD22100A, равном 5 В, и токе потребления 0.65 мА его выходной диапазон находится в пре- делах от 0.475 до 3.288 В, что соответствует температурному диапазону от -40 до 85 °С.
Рис. 6. Функциональная схема измерителя температуры с гальванической развязкой
Рис. 8. Функциональная схема измерителя давления с гальванической развязкой
Схема измерения давления с гальванической развязкой аналогового интерфейса на основе сигма- дельта АЦП AD7705 и микроконтроллера 68HC11 приведена на рис. 8. В качестве изолятора используется ИМС AD26OBND-1, которая обеспечивает допустимый уровень синфазной помехи не менее 3.5 кВ и устойчивость устройства к синфазной помехе уровнем 10 кВ/мкс. Максимальная частота обмена данными между аналоговым интерфейсом (IC1) и микроконтроллером (68НС11) составляет 20 МГц, задержка распространения цифровых сигналов в изоляторе (IC2) не превышает 14 нс.
Рядом фирм, освоена новая технология изоляторов, получившая название “iCoupler-технология” [2]. Суть новой технологии заключается в том, что микротрансформатор выполняется непосредствено в кристалле изолятора (рис. 9). Отсутствие внешних компонентов, низкое потребление, высокая скорость передачи данных и большая устойчивость к синфаз- ным помехам, а также невысокая стоимость и наличие прямых и обратных каналов в одном корпусе делают эти устройства более предпочтительными по сравнению с широко распространенными оптоэлектронными изоляторами.
Рис. 9. Принцип действия трансформаторной связи на основе iCoupler;технологии
В 2001 г. фирма Analog Devices выпустила первый одноканальный цифровой изолятор семейства iCoupler ADuM1100. В настоящее время этой фирмой освоено новое семейство изоляторов ADuM130х/ADuM140х, в состав которого на сегодняшний день входит пять микросхем, позволяющих получить необходимую конфигурацию направлений передачи цифровых сигналов [3]. ИМС ADuM1300 и ADuM1301 представляют собой трехканальные цифровые изоляторы, ADuM1400, ADuM1401 и AduM1402 имеют по четыре канала. Каждая из пяти микросхем выпускается в трех модификациях, отличающихся производительностью. Производительность этих ИМС может составлять 1, 10 и 100 Мбит/с. Все ИМС семейства ADuM130х/ADuM140х работают при напряжении питания от 2.7 до 5 В, обеспечивают совместимость с низковольтными системами и преобразование уровней при передаче сигналов через изо- лирующий барьер. Потребление этих ИМС составляет 0.4 мА на канал при производительности 2 Мбит/с и 24 мА на канал при производительности 100 Мбит/с.
Согласованность каналов изоляторов по такому параметру, как задержка распространения цифровых сигналов, не хуже 2 нс. На рис. 10 приведена функциональная схема нового изолятора ADuM1400 [4].
Рис. 10. Функциональная схема изолятора ADuM1400
Основные параметры ADuM1400:
- максимальная скорость передачи данных 150 Мбит/с
- максимальная задержка цифрового сигнала 32 нс
- устойчивость к синфазной помехе, типовое значение которой составляет 35 кВ/мкс
- напряжение изоляции 2500 В (среднеквадратичес- кое значение)
- диапазон рабочих температур от -40 до 100 °С • тип корпуса 16-SOIC.
Основное назначение цифровых изоляторов семейства iCoupler − интерфейсы типа RS-232/422/485, приемопередатчики для обмена данными в шинах Fieldbus, Profibus, Industrial Ethernet и т. п.
Лайкнути
Твітнути