Электроника
Изолированный аналоговый интерфейс с аналого-цифровым преобразователем: возможные решения от Analog Devices
Введение
Электроника измерительной системы может нуждаться в защите от высокого напряжения на датчике. Например, если от электронного оборудования требуется повышенная безопасность, необходимо обеспечить гальваническую развязку для предотвращения возникновения электрической искры в аварийном режиме и воспламенения горючих газов, например, в оборудовании шахт.
Иногда наоборот требуются повышенная электробезопасность и надежная изоляция контролируемого объекта от электрической сети. В медицине, например, при снятии сигнала электрокардиограммы (ЭКГ) защита требуется в обоих направлениях. Пациент должен быть защищен от удара электрическим током в случае какой-либо неисправности оборудования. С другой стороны, если у него происходит остановка сердцебиения, то для восстановления сердечного ритма реанимационная бригада подвергает пациента высоковольтным разрядам с помощью дефибриллятора, поэтому аппарат ЭКГ и другая подключенная аппаратура должны быть защищены от высокого напряжения с помощью гальванической развязки.
Кроме того, гальваническая развязка сигнальной цепи во многих случаях служит средством разрыва общей петли заземления, когда даже минимальное сопротивление между двумя системами заземления может привести к появлению неприемлемого по величине сигнала помехи. Такое может быть в прецизионной измерительной системе, где ток величиной в несколько миллиампер, протекающий через цепь заземления с сопротивлением в несколько тысячных долей Ома, может вызвать разность потенциалов в цепи заземления в несколько сотен микровольт, что приведет к снижению точности измерений. В таких случаях гальваническая изоляция источника сигнала способствует увеличению точности системы. Также такое может произойти в промышленных установках, где ток в тысячи ампер может вызвать напряжение на заземлении в сотни вольт и не только ухудшить точность системы, но и вообще вывести из строя аппаратуру.
Гальваническая изоляция может быть реализована за счет магнитного поля (на трансформаторе), электрического поля (с помощью конденсатора) или света (с помощью оптической развязки). Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Но для всех типов развязки обычно требуется изолированный источник или батарея для питания изолированной части прибора. Его нетрудно обеспечить совместно с передачей сигнала в тех изолирующих усилителях, где используется трансформаторная изоляция. Но если используются другие методы развязки, то может потребоваться отдельный преобразователь с гальванической развязкой на трансформаторе (DC/DC-converter), что приведет к увеличению стоимости прибора.
Гальваническая изоляция иногда может существенно влиять на стоимость системы в целом, поэтому важно в каждом конкретном случае реализовать оптимальное решение.
Часто бывает более выгодно реализовать гальваническую развязку уже после преобразования сигнала в цифровую форму. При этом обычно обеспечиваются более широкий динамический диапазон, более высокая линейность, и развязка цифрового сигнала зачастую получается дешевле.
Однако если обрабатываемый сигнал широкополосный или высокочастотный, то развязка аналогового сигнала до преобразования в цифровую форму применяется довольно часто.
Фирма Analog Devices в течение многих лет выпускает модули для развязки аналогового сигнала - изолирующие усилители типа AD202-AD215 (рис. 1). Это гибридные модули, в составе которых имеются сигнальный канал: усилитель, модулятор, сигнальный трансформатор, демодулятор, а также канал питания: генератор, трансформатор питания и стабилизатор. Таким образом инженер получает готовое решение, обеспечивающее высоковольтную изоляцию аналогового сигнала в полосе частот до нескольких или даже десятков кГц.
При этом не требуется отдельного источника питания "изолированной" части устройства. Недостатки такого подхода - неоптимальность модуля для каждого конкретного случая и связанная с этим неоптимальность затрат.
Кроме того, такие модули - далеко не самое компактное решение. Однако часто удобство применения перевешивает эти доводы, особенно когда речь идет о небольших объемах выпускаемой продукции. Тогда, используя готовые решения, можно сократить затраты на разработку и уменьшить время выхода изделия на рынок.
Оптопары обладают очень большой нелинейностью, поэтому в чистом виде для передачи аналогового сигнала они не подходят. Однако обеспечить хорошую линейность все же возможно. Для этого применяют специализированные "сдвоенные" оптопары, подобные IL300 или HCNR200, с показанной на рис. 2 схемотехникой. Как видите, один из фотодиодов включен в цепь обратной связи операционного усилителя. С помощью такого изящного решения нелинейность передаточной характеристики оптопары устраняется. Конечно, некоторая нелинейность остается, но теперь она определяется несогласованностью передаточных характеристик двух оптопар внутри одного корпуса, и эта нелинейность, конечно, значительно меньше, чем нелинейность одной отдельно взятой пары светодиод-фотодиод без обратной связи.
Рис. 2. Схема изолятора аналогового сигнала на основе оптопары IL300
Если АЦП работает на достаточно высоких частотах, но при этом нас не интересует постоянная составляющая сигнала, то хорошим и недорогим решением проблемы развязки является трансформатор. Причем стоит отметить, что трансформаторы бывают очень широкополосные, с относительной полосой частот 100:1 и даже 1000:1.
Гальваническая развязка цифрового сигнала
Если АЦП применяется для измерения сигнала постоянного тока (тензодатчики в электронных весах, датчики давления, датчики температуры и т.п.) и скорость цифрового потока невысока, то лучше применить гальваническую развязку не аналогового, а цифрового сигнала - это гораздо дешевле и эффективнее. Для создания простого и недорогого цифрового изолирующего барьера можно использовать оптопары. Как показано на рис. 3, развязку для микросхемы АЦП AD7714 можно реализовать всего на трех оптопарах.
Рис. 3. Изолированный трех-проводной интерфейс типа SPI
Тем не менее в такой схеме, конечно, необходим дополнительный источник питания, что усложняет схему и делает ее более дорогостоящей. Обычно в качестве источника питания для изолированной части схемы используются DC/DC-конвер-торы с гальванической развязкой - это готовые гибридные модули, содержащие трансформатор и схемы модуляции и демодуляции. Они широко представлены на рынке компонентов и выпускаются многими производителями.
В такой схеме DC/DC-конвертор является обычно самым громоздким элементом, он занимает самый большой объем и обычно является одним из самых ненадежных и дорогостоящих элементов схемы. Но зато DC/DC-конверторы являются готовыми к применению компонентами, к тому же это обычно сертифицированные приборы, - все это весьма способствует сокращению времени выхода продукции на рынок.
Кроме того, необходимо учитывать следующий аспект: использование оптопар, которые обычно имеют относительно небольшие скорости спада и нарастания сигнала, может привести к проблемам, даже если тактовые импульсы имеют невысокую частоту.
Логические входы КМОП, такие как SCLK или DIN в микросхемах семейства AD771x, разработаны для подачи на них логических сигналов, то есть либо логического нуля, либо логической единицы. В этих состояниях входы потребляют или отводят минимальный ток. Однако когда входное напряжение находится в промежутке между логическим нулем и логической единицей (от 0,8 до 2,0В), логический вход выдает несколько больший ток. Если используются оптопары, имеющие относительно низкую скорость нарастания и спада сигнала, то в течение дополнительного времени, пока сигнал находится в промежутке между нулем и единицей, будет проходить значительный ток, микросхема будет нагреваться и среднее энергопотребление повысится.
Кроме того, медленное пересечение напряжением порога логического входа и присутствие шумов может привести к тому, что одиночный фронт тактового импульса будет воспринят логикой преобразователя как несколько тактовых импульсов. Поэтому, чтобы предотвратить эти многократные пересечения порога, линии SCLK, идущие от оптоизоляторов к АЦП семейства AD771x, необходимо буферировать с помощью триггера Шмитта. В то же время в преобразователях семейства AD779x вход SCLK имеет встроенный триггер Шмитта, так что для AD779x описанная проблема отпадает. В технических описаниях (datasheet) микросхем семейства AD779x специально оговаривается, что вход SCLK пригоден для управления от оптопары. В любом случае, инженер-разработчик должен знать о существовании такой проблемы и быть к ней готовым.
Очень просто и недорого проблема гальванической развязки решается, если использовать преобразователи напряжения в частоту. В данном случае можно, например, применить синхронный преобразователь напряжение-частота типа AD7742 в сочетании с оптопарой и с преобразователем DC-DC (рис. 4).
Рис. 4. Изолированная измерительная схема на базе преобразователя напряжения в частоту
Преобразователь AD7742 преобразует напряжение в частоту с высокой точностью и линейностью, обеспечивая высокую разрешающую способность (хотя, конечно, хуже, чем у хорошего сигма/дельта-АЦП). После гальванической развязки импульсный сигнал может быть подключен ко входу счетчика микропроцессора или микроконтроллера, и с помощью простого алгоритма - подсчета числа импульсов за фиксированный промежуток времени - мы получаем цифровой код.
Данное решение является одним из самых дешевых и эффективных, однако надо заметить: и здесь требуются отдельный источник питания или преобразователь DC/DC с гальванической развязкой для питания левой, изолированной части схемы. Хотя в некоторых случаях (подобных показанному на рис. 4), очевидно, можно запитать левую часть схемы от цепи, в которой измеряется ток.
Решение проблем изоляции с помощью приборов семейства iCoupler
Фирма Analog Devices в течение уже нескольких лет выпускает семейство iCoupler - уникальные по многим параметрам устройства гальванической развязки цифрового сигнала, идущие на смену оптопарам. Родоначальником линии iCoupler является ИС ADuMHOO - одноканальный прибор, заслуживший популярность за счет высокой скорости передачи, а также портативности, надежности и малого энергопотребления.
Возвращаясь к оптопарам, необходимо отметить, что это приборы с высоким энергопотреблением, для их успешного функционирования необходим ток порядка 10 мА. Кроме того, для применения оптопар требуются дополнительные компоненты: токоограничительные резисторы, дополнительные транзисторы (эти компоненты не показаны на рис. 3 для упрощения схемы).
Рис. 5. Конструкция изоляторов цифрового сигнала iCoupler
Для изоляторов цифрового сигнала iCoupler дополнительные компоненты не требуются: мы просто подаем цифровой сигнал на вход, как на обычную логическую микросхему, и получаем этот же сигнал на изолированном выходе. Изоляторы цифрового сигнала семейства iCoupler фирмы Analog Devices созданы на основе интегральных микротрансформаторов. На рис. 5 показан четырехканальный изолятор цифрового сигнала, в котором имеется три кристалла в одном корпусе. На двух кристаллах, сделанных по технологии CMOS, реализованы схемы драйвера и приемника. Между ними находится блок из четырех микротрансформаторов. Трансформаторы представляют собой плоские катушки (сделанные из золота), разделенные 20-микронным слоем полиимидной пленки. Эта полиимидная изоляция выдерживает напряжение 5 кВ в течение одной минуты.
Через трансформаторы передается не собственно логический сигнал, подаваемый на вход микросхемы, а "производная" от него, то есть сигнал типа "перейти в 0" и "перейти в 1". Поэтому схема корректно обрабатывает медленно меняющиеся логические сигналы и постоянные логические сигналы.
В настоящее время перечень продукции iCoupler стремительно расширяется. Появились многоканальные приборы - на 2, 3 и 4 канала в различной конфигурации, специализированные приборы для интерфейсов RS-485 и PC.
В приведенных выше схемах развязки цифрового сигнала оптопары можно с успехом заменить на изоляторы типа iCoupler. Эта замена обеспечит существенное снижение энергопотребления и уменьшение места, занимаемого схемой на плате. Кроме того, приборы iCoupler обеспечивают очень высокую скорость передачи сигнала и скорость фронта/спада, поэтому отпадает описанная выше проблема медленного нарастания тактовых импульсов. Вообще стоит отметить, что максимальные преимущества приборы семейства iCoupler обеспечивают именно при высоких скоростях цифрового потока. На низких частотах дешевые оптопары составляют серьезную конкуренцию приборам iCoupler. Тем не менее даже на низких частотах схема на iCoupler гораздо компактнее и экономичнее, особенно когда необходимо несколько (3, 4 или больше) однобитных каналов передачи данных.
Однако и в случае применения приборов iCoupler все равно стоит проблема питания изолированной части схемы, то есть и здесь обычно нужен DC/DC-преобразователь.
Решение проблем изоляции с помощью AD7400/AD7401
Технология iCoupler также применяется в микросхемах AD7400/AD7401. Это микросхемы, представляющие собой сигма-дельта модуляторы с гальванической развязкой цифрового однобитного сигнала, то есть со встроенным модулем типа iCoupler (рис. 6).
Рис. 6. Функциональная схема преобразователя AD7400
На выходе MDAT эти преобразователи формируют однобитный поток, средняя плотность "единичных" бит в котором пропорциональна уровню сигнала (рис. 7). Скорость этого однобитного потока довольно высока - 10 или 20 МГц, соответственно у AD7400 и AD7401.
Рис. 7. Форма сигналов на выходе преобразователя AD7400
Для построения полноценной системы оцифровки необходимо обрабатывать этот однобитный поток с помощью довольно быстродействующих процессоров -DSP или FPGA. Для обработки рекомендуется применять алгоритм фильтрации sinc3, который подробно описан в техническом руководстве на микросхему (datasheet).
Однако существует и более простой подход, который мы опишем ниже.
С помощью простой дополнительной логической схемы (рис. 8), мы получаем сигнал/MCLOCKOUT-MDAT, представляющий собой последовательность импульсов, в сущности подобную импульсам на выходе AD7742, однако их частота более высокая. Тем не менее современные микроконтроллеры имеют в своем составе счетчики, которые успешно функционируют на такой частоте. При этом на микроконтроллере, скорее всего, не получится организовать полноценную цифровую фильтрацию (разве что простейший фильтр "скользящего среднего"). Поэтому качество оцифровки будет хуже, чем при использовании хорошего цифрового фильтра, но зато мы получим простой и недорогой изолированный аналоговый вход.
Напоминаем, что здесь тоже понадобится отдельное питание для изолированной части схемы!
Решение проблемы питания изолированной части с помощью приборов семейства isoPower
Не так давно фирмой Analog Devices было разработано семейство приборов isoPower, которые являются развитием линии iCoupler. В приборах isoPower применяется та же технология с микротрансформаторами, но помимо передачи цифровых данных, в isoPower обеспечивается передача энергии и имеются все необходимые ключевые схемы, выпрямители и стабилизаторы. При этом обеспечивается такая же электрическая прочность изоляции, как и для каналов передачи данных. То есть, другими словами, в приборах семейства isoPower имеется встроенный DC/DC-преобразователь и при этом он вместе с двумя каналами передачи информации представляет собой микросхему в корпусе SOIC-8.
Рис. 8. Подключение преобразователя AD7400 к микроконтроллеру
В приборах ADuM5240,ADuM5241 и ADuM5242 - первых представителях семейства isoPower - имеется мостовая схема на ключах CMOS, которая обеспечивает возбуждение трансформатора. По другую сторону изолирующего барьера сигнал переменного тока выпрямляется с помощью диодов Шот-ки. Выпрямленный сигнал поступает на стабилизатор, который обеспечивает на выходе стабильное напряжение 5В. На рис. 9 показан трансформатор, который применяется в приборах семейства ADuM524x. Эти микротрансформаторы изготовлены из золота толщиной 6 микрон и имеют изолирующий слой толщиной 20 микрон, который рассчитан на напряжение 5 кВ. Так как диаметр обмотки трансформатора составляет всего 0,6 мм и эти обмотки обладают низким соотношением индуктивность/сопротивление, по сравнению с обычными трансформаторами, для передачи энергии требуется высокочастотное возбуждение с частотой порядка 300 МГц.
Рис. 9. Конструкция изолятора цифрового сигнала isoPower
Сочетание средств передачи данных и энергии в одной компактной микросхеме для поверхностного монтажа обеспечивает колоссальную экономию места и себестоимости.
Рис. 10. Схема изолированного интерфейса на базе прибора isoPower и АЦП AD7823
На рис. 10 показана типичная конфигурация изоляции для интерфейса SPI. Комбинация устройств iCoupler ADuM1200 и isoPower ADuM5242 позволяет передавать данные по четырем каналам (один канал на рис. 10 не задействован) и обеспечивает питание изолированной части. Мощности 50 мВт на выходе ИС ADuM5242 достаточно, чтобы обеспечить питание для ИС ADuM1200, преобразователя AD7823 и самого датчика.
Рис. 11. Возможные реализации изолированной шины I2C
Такая схема, несомненно, более компактная и дешевая, чем описанные выше, в которых применяются оптопары и отдельные DC/DC-преобразователи. Возможны и другие комбинации изоляторов ADuM524x isoPower и приборов серии ADuM120x или других приборов семейства iCoupler.
Разумеется, многие описанные в данной статье схемы, в которых применялись DC/DC-преобразователи, теперь можно реализовать с помощью приборов семейства isoPower. Малые размеры и низкая цена устройств isoPower открывают новые возможности для построения новых систем с изолированными аналоговыми входами и для уменьшения стоимости уже имеющихся.
Изолированный интерфейс I2C
PC - популярный двухпроводной двунаправленный интерфейс, разработанный для обеспечения простой и дешевой связи между контроллером и периферийными микросхемами в пределах небольших расстояний. Шина PC позволяет снизить стоимость системы, когда к одной шине подключаются многочисленные устройства и контроллер. Два провода - один для данных, другой для тактового сигнала - позволяют обеспечить низкую стоимость при невысокой скорости передачи данных, таким образом шина PC обычно применяется там, где имеется множество периферийных устройств, но они работают при скорости передачи данных менее 1 Мбит/с. В системах с небольшим количеством периферийных устройств, работающих при более высоких скоростях передачи данных, чаще применяются шины SPI.
Сейчас фирма Analog Devices поставляет на рынок электроники многочисленные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи с интерфейсом I2C, а также температурные датчики и преобразователи емкость/код [3,4] с интерфейсом I2C. Во многих случаях появляется потребность в гальванической изоляции (рис. 11). Однако применение интерфейса I2C в системах с гальванической развязкой осложняется тем, что I2C - двунаправленный интерфейс, а оптопары являются, разумеется, однонаправленными устройствами. Для реализации полноценной двунаправленной шины PC необходимы четыре оптопары.
Кроме того, требуются некоторые дополнительные компоненты. Все это делает схему гальванической развязки дорогостоящей и болыиеразмерной и подрывает исходную идею шины PC - быть недорогой и экономить место.
Рис. 12. Функциональная схема изоляторов интерфейса I2C
Приборы iCoupler упрощают схему двунаправленной изоляции. Адаптация технологии iCoupler для вышеописанной ситуации позволила организовать разделение, изоляцию и воссоединение каналов в виде одной микросхемы. Этот подход реализован в микросхемах ADuM1250 и ADuM1251 - сдвоенных изоляторах для шины PC (рис. 12). В этих приборах, более современных, трансформаторы находятся на одном кристалле с электронными схемами формирования сигнала, а не на отдельном кристалле, как это было показано на рис. 5.
Заключение
Устройства цифровой изоляции типа iCoupler и isoPower являются удобными средствами решения проблем изоляции цифрового сигнала. За счет принципиально нового использования традиционной микроэлектронной технологии достигнута низкая стоимость. В ближайшем будущем ожидается дальнейшее развитие семейства iCoupler и isoPower. Эти устройства будут интегрированы в различные системы, где требуется гальваническая развязка, в том числе и в аналого-цифровые преобразователи.
Литература:
1. www.analog.com.ru.
2. Уэйн, Скотт. Применение устройств гальванической развязки цифрового сигнала iCoupler в интерфейсах RS-232, RS-485 и CAN. // Электронные компоненты. - 9, 2005.
3. Пратт, Сьюзан. Емкостные датчики для интерфейсов ввода. // Компоненты и технологии. - 1, 2007.
4. Преобразователи емкость-код на основе сигма-дельта модулятора Михаль Брихта. // Компоненты и технологии. - 1, 2006.
Комментарии
-
wliY0d , [url=http://xslgysytglxc.com/]xslgysytglxc[/url], [link=http://qifsgwxaojwk.com/]qifsgwxaojwk[/link], http://jzfqgztcgnpv.com/
-
I was seriuolsy at DefCon 5 until I saw this post.
-
а формула для расчетов??? ГИДЕ??? это и дите нарисуцет! :(
-
Спасибо. Интересно