Микросхемы Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков

В настоящее время выпускается большое количество датчиков. Наиболее популярные из них — датчики давления и температуры. Большинство датчиков имеет нелинейные характеристики и очень малые уровни выходных сигналов, поэтому необходима нормализация (существенное повышение линейности передаточной характеристики чувствительного элемента) и усиление выходных сигналов датчиков. Кроме того, во многих случаях выходной сигнал приводится к стандарту для передачи через конкретный тип интерфейса, например, с аналоговым выходом «токовая петля» 4–20 мА или с выходом по напряжению, дальнейшей цифровой обработкой и передачей сигналов по цифровому каналу.

Температура относится к наиболее часто контролируемому физическому параметру, который можно измерить с помощью разных типов датчиков. Самые распространенные из них — термопары, резистивные детекторы температуры RTD (Resistance Temperature Detector) и NTC-термисторы (с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления).

Термопара — датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разных металлических проводников. Если контакты (спаи) проводящих элементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то в термопаре возникает термоЭДС, величина которой однозначно определяется температурой «холодного» и «горячего» контактов, а также типами материалов, примененных в качестве термоэлектродов. Поддерживая известную температуру на опорном «холодном» спае, по результатам измерения термоЭДС можно определить температуру другого спая. Преимущества термопар — малые размеры, низкая цена и большой диапазон измеряемых температур.

RTD, или резистивные детекторы температуры — терморезистивные датчики температуры, работающие при прохождении через них электрического тока. Чаще всего используются в мостовых схемах. Самые стабильные и линейные датчики такого типа изготавливаются из платины, поэтому платиновые RTD прочно заняли свое почетное место в качестве международного эталона. Платиновые датчики температуры имеют более высокую стоимость по сравнению с термопарами и термисторами.

NTC-термисторы имеют самую высокую чувствительность к измеряемой температуре, однако линейность их передаточной характеристики часто далека от желаемой. Основные свойства и некоторые параметры температурных датчиков для удобства сравнения сведены в таблицу 1.

* RTD (Resistance Temperature Detector) — резисторный детектор температуры.

Texas Instruments выпускает специализированные микросхемы для коррекции нелинейности характеристики и усиления сигналов датчиков. Основные параметры микросхем для этих целей, рекомендуемые производителем, показаны в таблице 2.

Табл. 2. Параметры микросхем Texas Instruments для нормализации и усиления сигналов датчиков

*RTD (Resistance Temperature Detector) — резистивный детектор температуры.

Большинство микросхем серии XTR1xx содержат встроенный усилитель сигнала резистивного датчика с аналоговым интерфейсом на выходе «токовая петля» 4–20 мА. Микросхемы обладают широким диапазоном напряжений питания и позволяют легко согласовать датчик RTD с линией передачи и устройством регистрации или индикации. Интерфейс «токовая петля» особенно удобен при работе на стрелочный измерительный прибор, т.к. выходной сигнал рассматриваемых микросхем серии XTR1xx представляет собой ток, пропорциональный измеряемой физической величине.

При этом отпадает необходимость в цифровой обработке сигнала (не нужны дополнительные АЦП, ЦАП). Кроме того, аналоговый интерфейс с токовым выходом обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с линией передачи аналоговых уровней напряжения. Наиболее распространенный интерфейс «токовая петля» с диапазоном выходного тока 4…20 мА позволяет использовать начальный диапазон тока ниже 4 мА для питания внутренней схемы и самого датчика. Дополнительное преимущество «токовой петли» — использование всего двух проводников для организации линии связи с системой сбора данных и отсутствие аппаратных и программных средств, необходимых для реализации цифрового протокола.

Несмотря на очень широкое использование цифровых сетей, аналоговые каналы передачи информации до сих пор не утратили своей актуальности. В системах промышленной автоматики аналоговые каналы передачи данных используют многие исполнительные устройства (насосы, клапаны) и регистрирующие устройства, например самописцы. Замена этого оборудования требует огромных средств. Полный быстрый перевод такого оборудования на цифровое управление практически невозможен, т.к. потребуется полная остановка всего технологического процесса, что в большинстве случаев недопустимо. Часто в этом и нет острой необходимости, поэтому аналоговая передача данных еще долго будет мирно сосуществовать вместе с цифровыми интерфейсами.

Во многих случаях невозможно разместить схему усиления и коррекции нелинейности датчика в непосредственной близости от самого чувствительного элемента. Это может быть связано с необходимостью размещения датчика в агрессивной среде или при очень высоких температурах (см. табл. 1 с диапазонами измерения температуры). Кроме того, сами соединительные проводники могут вносить недопустимую погрешность измерения физического параметра, что особенно заметно при низкоомном источнике сигнала. Более длинные проводники гораздо чувствительнее к наводкам (нередко поблизости находится частотный инвертор, который может создавать проблемы, связанные с электромагнитной совместимостью).

Для снижения отрицательного влияния соединительных проводников, как это ни странно, необходимо увеличивать количество соединительных линий. Наиболее распространенные варианты включения — схемы из двух, трех или четырех соединительных проводников между датчиком и измерительной схемой. Типовые схемы таких вариантов включения показаны на рисунке 1 (в качестве примера взята микросхема XTR108).

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

При двухпроводной схеме подключения резистивного датчика может появиться недопустимая ошибка измерения, поэтому такая схема применяется только при очень короткой длине соединительных проводников. Кроме того, в этой схеме часто невозможно обойтись без RC-фильтра для подавления помех. Резистор RZ необходим для более точного обеспечения равенства протекающих токов через RTD и RZ.

Трехпроводная схема подключения резистивного датчика позволяет существенно уменьшить ошибку измерения благодаря выбору встроенным мультиплексором оптимального значения резистора из пяти возможных (RZ1, RZ2, RZ3, RZ4 или RZ5). Выбор определенного резистора для конкретной температуры позволяет минимизировать ошибку измерения и обеспечить высокую точность в широком диапазоне рабочих температур. Однако для достижения высокой точности трехпроводная схема требует практически идеального равенства сопротивлений проводников.

Добиться еще более высокой точности и стабильности измерений позволяет четырехпроводная схема включения резистивного датчика (см. нижнюю схему на рис. 1). На входе микросхемы XTR108 добавлен прецизионный операционный усилитель OPA277 (можно, конечно, использовать и другие современные ОУ с еще более высокими параметрами напряжения смещения, дрейфа и коэффициента ослабления синфазного сигнала). ОУ также компенсирует разницу суммарных сопротивлений в каждой линии. Четырехпроводная схема практически полностью исключает влияние соединительных проводников на точность измерения.

Некоторые современные мостовые датчики состоят из чувствительного элемента и интегрированной схемы усиления и обработки сигнала, но такие функционально законченные датчики измеряют физические величины в относительно узких пределах и обычно в неагрессивных средах. Эти ограничения вынуждают размещать электронную схему обработки отдельно от чувствительного элемента. Мостовой датчик характеризуется чувствительностью, диапазоном выходного сигнала, нелинейностью, температурным дрейфом, начальным смещением выходного сигнала и другими параметрами, влияющими на точность измерения. Наиболее популярны мостовые датчики на основе полупроводниковых резисторов. Для многих приложений, где необходима высокая точность измерения, необходима обязательная коррекция характеристики мостового сенсора. Типовые передаточные характеристики мостового чувствительного элемента представлены на рисунке 2. В верхней части этого рисунка показаны нескорректированная характеристика датчика и скорректированная кривая с помощью микросхемы XTR106. Коррекция нелинейности позволила уменьшить неравномерность коэффициента передачи датчика до 20 раз (см. зеленую кривую в верхней части рис. 2). Датчик может иметь положительную или отрицательную нелинейность. Средняя и нижняя части рисунка 2 иллюстрируют положительную и отрицательную нелинейность мостового датчика при нормированных воздействиях на чувствительный элемент.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Кроме коррекции нелинейности для достижения высокой точности измерений в широком диапазоне температур необходимо вводить температурную компенсацию мостового чувствительного элемента. Температурный дрейф нуля и выходного диапазона мостовых датчиков с полупроводниковыми резисторами настолько значителен, что обязательно приходится вводить дополнительные резисторы. На рисунке 3 для этой цели служат резисторы R1 и R2. В документации производителя для микросхем серии XTR1xx приведен подробный расчет для выбора номиналов электронных компонентов для достижения необходимой точности измерения.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

В некоторых случаях приходится останавливать выбор на низкоомных мостовых датчиках, имеющих лучшие параметры по стабильности характеристик и точности измерения. Напряжение и ток активации задаются встроенными генераторами тока или стабилизаторами напряжения микросхем серии XTR1xx. Например, для микросхемы XTR106 при формируемом опорном напряжении 5 В целесообразно задать ток через мостовой датчик не более 1 мА. На рисунке 4 приведена схема включения для мостового датчика с сопротивлением 350 Ом и током активации через него 700 мкА от источника напряжения 5 В. В этом случае приходится последовательно с датчиком включать внешние токоограничивающие резисторы 3.4 кОм. По этой причине выходной сигнал с мостового чувствительного элемента резко уменьшается, из-за чего приходится устанавливать дополнительные ОУ, например OPA2277, с коэффициентом усиления каждого усилителя около 50. Схема подключения мостового низкоомного датчика приведена на рисунке 4.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Часто возникает необходимость в гальванической развязке между выходным сигналом датчика и входом схемы обработки сигнала приемной стороны после преобразования уровней тока токовой петли. Пример такой наиболее простой реализации схемы для передачи сигнала по аналоговой линии с изоляцией между входом и выходом показан на рисунке 5. В качестве усилителя и нормализатора сигнала от резистивного детектора температуры применены микросхемы XTR112 или XTR114. На приемной стороне установлен стандартный приемник «токовой петли» 4–20 мА RCV420, преобразующий входной ток 4…20 мА в напряжение 0…5 В. Изолирующий усилитель ISO124 обеспечивает гальваническую развязку аналогового сигнала. Выходной каскад ISO124 необходимо подключать к дополнительному двуполярному источнику питания, который должен быть гальванически развязан с источником питания датчика, схемы усиления/нормализации и токовой петли.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Термопара (термоэлектрический преобразователь) — один из самых распространенных датчиков температуры. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматических системах управления и контроля благодаря своей простоте, низкой цене и возможности работы в широком диапазоне температур при высокой надежности. Термопара состоит из двух спаянных на одном из концов проводников, изготовленных из металлов с разными термоэлектрическими свойствами. Спаянное соединение проводников для подключения измерительной схемы называют рабочим спаем. Именно он размещается в измеряемой среде.

Свободные концы проводников (холодный спай) подключаются ко входу измерительной схемы. Если температуры холодного и рабочего спаев отличаются, то термопара вырабатывает термоЭДС, пропорциональную разности температур спаев. ТермоЭДС зависит только от материалов термоэлектродов и разности температур между спаями. Для получения корректных измерений необходимо учитывать температуру холодного спая. Датчиком его температуры обычно служит полупроводниковый диод, который располагается в непосредственной близости от клеммной колодки для коммутации выводов термопары и соединительных проводников с измерительной схемой. Основные параметры и материалы (или сплавы) термоэлектродов наиболее распространенных термопар приведены в таблице 3.

В таблице 3 представлены обозначения термопар по американскому стандарту ANSI (American National Standards Institute) и по ГОСТ соответственно. Материалы термоэлектродов у некоторых термопар изготовлены из сплавов двух или более металлов. Минимальная температура, измеряемая термопарами, составляет –270°С, максимальная температура достигает 2200°С и более (до 2300°С) при кратковременном режиме измерения. Термопары гораздо более линейны, чем многие другие датчики. Нелинейность термопар очень хорошо изучена и подробно описана в специальной литературе. Термопары вырабатывают термоЭДС в диапазоне от мкВ до мВ, но для высокой точности измерения необходимо обеспечить высокую стабильность усиления схемы нормализации сигнала. Вольт-температурные характеристики широкораспространенных термопар показаны на рисунке 6.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Наилучшей линейностью обладают термопары типа K (ТХА). Они предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Термопары тип N (ТНН) имеют высокую стабильность термоЭДС (по сравнению с термопарами типов K, R и S) и обладают высокой стойкостью к окислению электродов, что очень важно при работе в агрессивных средах. Термопары A-1, A-2 (отечественное наименование ТВР) имеют самую высокую рабочую температуру измерений 2200°С (2300°С при кратковременном режиме) в неокислительных средах. Они устойчиво работают в азоте, гелии, аргоне, водороде.
На рисунке 7 приведена схема усиления сигнала термопары типа K, рекомендуемая компанией Texas Instruments. Диод 1N4148 служит для измерения и компенсации температуры холодного спая термоэлектрического преобразователя.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Одно из решений для нормализации сигналов датчиков давления или веса с очень высокой точностью — применение усилителей с программируемым коэффициентом усиления (PGA или Programmable Gain Amplifier) PGA308 и PGA309. В этих микросхемах аналоговый тракт передачи имеет цифровую коррекцию усиления и напряжения смещения для корректировки температурной погрешности мостового датчика. Цифровая коррекция исключает необходимость применения потенциометров и ручной подстройки датчика. Усиление и смещение в PGA308 и PGA309 изменяется в соответствии с измеренной температурой окружающей среды и запрограммированными характеристиками чувствительного элемента. Для рабочего диапазона температур датчика для конкретных значений температуры рассчитываются необходимые коэффициенты усиления, которые хранятся в энергонезависимой памяти. Для PGA309 требуется внешняя микросхема энергонезависимой памяти. Новые программируемые усилители PGA308 имеют встроенные банки памяти для хранения температурных коэффициентов.

Главная составная часть микросхем PGA308 и PGA309 — программируемый инструментальный усилитель на входе с автоматической коррекцией нуля (Auto-Zero PGA). Усилители имеет грубую и точную подстройку напряжения смещения для компенсации начального сдвига выходного напряжения мостового чувствительного элемента. Дополнительная регулировка усиления осуществляется с помощью встроенных ЦАП. Благодаря такому решению удается оптимальным образом согласовать выходной диапазон мостового датчика с полной выходной шкалой всех каскадов усиления. Встроенная схема измерения температуры обеспечивает контроль внутренней температуры кристалла микросхем. Необходимо отметить, что измерение температуры с помощью встроенного температурного датчика не всегда обеспечивает желаемую точность из-за ощутимой разницы температур кристалла и окружающей среды. На точность измерения может влиять и инерционность температурных измерений из-за высокого температурного сопротивления между кристаллом усилителя и окружающей средой. В процессе эксплуатации происходит считывание значений температуры, по результатам которых в соответствующие регистры микросхем записываются требуемые температурные коэффициенты, по которым устанавливаются оптимальные коэффициенты усиления и напряжения смещения. Микросхемы PGA309 и PGA308 имеют автомобильный диапазон рабочих температур –40…125°С.

На рисунке 8 показан вариант включения усилителя PGA309 совместно с интерфейсной микросхемой «токовая петля» 4…20 мА. Выходной аналоговый сигнал PGA309 находится в диапазоне 0,5…4,5 В. Этот выходной сигнал можно подать на вход АЦП и обрабатывать далее оцифрованные данные измерений. При необходимости передать сигнал по аналоговому интерфейсу производитель рекомендует ориентироваться на схему включения, приведенную на рисунке 8.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

На рисунке 9 показана структурная схема нового более точного программируемого усилителя PGA309. Микросхема выпускается в корпусе TSSOP-16.
Для этих микросхем PGA309 и PGA308 производитель выпускает отладочные наборы PGA309EVM-EU (EU — версия для Европы) и PGA308EVM, соответственно.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Более подробную информацию о рассмотренных в статье микросхемах можно найти на сайте производителя Texas Instruments www.ti.com или запросить у официального дистрибьютора — компании «КОМПЭЛ» www.compel.ru.

Москва
Тел.: +7 (495) 995-0901
Факс: +7 (495) 995-0902

С.-Петербург
Тел.: +7 (812) 327-9404
Факс: +7 (812) 327-9403