Подскажите pls по схемотехнике промышленных контроллеров, интересует как делается опторазвязка АЦП с сохранением линейности, вообще хочется взглянуть в схемные решения цифрового и аналогового ввода вывода опторазвязки промышленных контроллеров - есть ли примеры схем в инете?

честно скажу, мне не попадались пром.контроллеры, где бы были опторазвязаны аналоговые входы/выходы.
могу лишь предположить, что сделать такое возможно используя либо ШИМ, либо передачу по опторазвязанной цифре от неразвязанного измерителя с АЦП.

Можно и по аналоговым каналам развязаться. Но пром контроллеров с развязкой- тоже не встречал.

Вся развязка обычно делается в цифре.
Входной аналоговый тракт измерителя питается от гальванически развязанного источника. Связь посредством 3-4 проводного цифрового интерфейса через оптроны Если применяется сигма-дельта АЦП, то есть отдельные м/с (у Analog Device точно имеются) в которых только модулятор такого АЦП находится. Т.е. опять же цифровой битовый поток через гальваноразвязку передается. Там достаточно 1 (если генератор на стороне модулятора) или 2-х (если тактовый сигнал тоже передается туда или оттуда) канального изолятора.
Выходной аналоговый канал в цифре. Питается от гальванически развязанного источника или прямо от токовой петли 4-20мА.
Частотные/дискретные входы обычно на оптронах.
Выходные дискретные сигналы разнообразны по реализации. Т.е. бывают оптосиммисторные выходы, оптронные транзисторные выходы, релейные выходы. Зависит от типа управляемых сигналов.

Как ни странно, на практике очень часто используется развязка по аналоговому каналу. По причинам вполне прозаическим- есть готовый измеритель тока/ напряжения, сертифицированный, какие-то каналы требуют развязки, какие-то- нет. Ставят развязывающие усилители, где нужно. Битовый поток от модулятора сигма-дельта передавать через длинную линию затруднительно- присутствует постоянная составляющая, если, конечно не использовать специальную модуляцию. Разве что по оптике, да и то есть проблемы. Выгоднее в таком случае передавать сигналы от преобразователя напряжение- частота. в этом случае можно ограничить спектр сигнала снизу и сверху, и обойтись импульсным трансформатором, он и синфазные помехи давит отлично. Кстати, цифровая форма передачи сигналов отнюдь не гарантирует высокое отношение сигнал- шум сама по себе.

А кто про большие расстояния упоминал? Пром. контроллер обычно это либо законченное устройство, либо блок с крейтовой структурой в которую устанавливаются необходимые модули. Битовый поток от модулятора сигма-дельта АЦП наружу естественно не выходит.
Внешние интерфейсы связи пром. контроллера это уже совсем другой коленкор.

Вроде бы в вопросе было про аналоговые каналы. для сохранения точности, а не только линейности- позволю себе поправить автора. Обычно такие задачи возникают в условиях сильных помех- либо на длинной линии, либо вообще от чего-нибудь. Контроллеру, его АЦП, вообще говоря, не важно, от чего они возникают.

Володя, у тебя есть инфа по схемотехнике PLC?

Ну мы ведь тоже нечто подобное разрабатываем. Или тебя принципиальные схемы конкурентов интересуют?
P.S. номер аси у меня в профиле указан.

Признаться меня тоже интересует схемотехника конкурентов.
Сейчас есть необходимость подключить 4 канала 12 разрядов с развязкой по цифре.
Готовое схемное решение было бы весьма кстати.
Можно писать в приват.

В инете не встречал, разве что учебные/любительские.

Опторазвязка АЦП в ПЛК обычно делается после оцифровки. Экзоты с аналоговой развязкой бывают, но это маргиналы. Я лично вместо развязки давно пропагандирую использовать усилители типа INA117, жаль, маловата номенклатура.

Есть такой документ ГОСТ p 51841-2001 или IEC61131-2 по ихнему - технические требования к PLC и методы контроля.

Согласно этого стандарта аналоговый выход ддолжен обеспечивать +/-10В 20мА на 1кОм, - меня интересует реализация защищенного выхода для промышленного контроллера - кто как делает аналоговый выход?

Хочу предупредить относительно использования измерительных усилителей в условиях сильных синфазных помех- например, когда их входы подключаются к датчику посредством длинных проводов. Синфазные сигналы легко могут превысить пределы рабочего диапазона, для интегральных ИУ это обычно- +- 10В. при этом ИУ вызодит из линейного режима работы, и коэфф. подавления синфазного сигнала может упасть до нуля. В таких условиях без гальваноразвязки обойтись невозможно. Или практически невозможно. Выход- опто, или иная развязка входов либо применение датчиков с гальванически изолированным, "плавающим", выходом.

А можно взглянуть на ваши схемные решения?

Вы бы хоть одним глазком глянули на INA117, прежде чем такое говорить. У него Common Mode Input +/- 200 В, и ведь это не теоретический предел какой-то, а только конкретная довольно старая реализация. В принципе и 1 кВ можно сделать, и 10 кВ.

Поэтому слова о "невозможности обойтись без гальваноразвязки" не имеют основания. Можно без нее обойтись.

Друзья! Я посмотрел всю конфу по теме топика - ничего не нашел, посему кому не жалко поделитесь опытом и покажите в этой ветке хотя бы часть своих схемных решений по промышленным контроллерам, я думаю это будет интересно и начинающим, и спецам, которые увидят что то новое - новые схемные решения!

Поддержите меня!

Данное устройство, вообще говоря, является обычным дифференциальным усилителем, а не инструментальным в общепринятом понимании. Хотя, разумеется, инструментальник- и есть диф. усилитель прежде всего. Но его схемотехника разработана прежде всего для целей получения максимального КОСС.Обратите внимание:
COMMON-MODE REJECTION
Common-mode rejection (CMR) of the INA117 is dependent
on the input resistor network, which is laser-trimmed for
accurate ratio matching. To maintain high CMR, it is important
to have low source impedances driving the two inputs.
A 75Ω resistance in series with pin 2 or 3 will decrease CMR
from 86dB to 72dB.
Resistance in series with the reference pins will also degrade
CMR. A 4Ω resistance in series with pin 1 or 5 will decrease
CMRR from 86dB to 72dB.
Это всего- навсего 75 омный разбаланс по входу!А что такое -72 dB для 200В синфазного? Это уже 50 мВ на выходе! А если разбаланс будет больше? Что в реальных условиах вполне возможно, особенно если учитывать не только сопротивления проводов, но и то, что усилитель придется подключать к точкам цепи, которые принципиально имеют разные вых. сопротивления относительно общего провода.
И ещё вот:
OFFSET VOLTAGE
vs Temperature 40 μV/°C
vs Time 200 μV/mo
При этом в диапазоне -40 +80 Ц усилитель уплывет на 2,4 мВ, а за год- ещё на 2,4 мВ. В общем,параметры, как у дешевого ОУ. Это- следствие схемного решения, в котором синфазный сигнал в диф. усилителе подавляется делителем, и для компенсации этого подавления увеличивается коэф. усиления. Теперь представьте, что синфазные сигналы могут быть действительно порядка киловольт- кстати, так бывает достаточно часто в пром. применениях. Особенно импульсные. Мне вот недавно пришлось разрабатывать прибор, импульсные помехи по входу которого нормировались в 1,5 кВ. скв. Естественно, выход пришлось делать изолированным.В случае с INA117 резисторы R4,R5 (20кОМ, 22,1кОм) пришлось бы уменьшить раз в 10, с соответствующим усугублением вышеизложенного. Кстати, стоит обратить внимание на АЧХ КОСС INA117- для импульсных помех все будет гораздо хуже.

Вот схемное решение для DAC (для ADC аналогично).

Для применений, где постоянно действует большое синфазное (особенно dc), целесообразно применять опторазвязку. Но таких применений не очень много. Массовый и типический случай - когда источник сигнала заземлен, но между его землей и землей контроллера есть наводки. Обычно между землями доли вольта, в худшем случае - несколько вольт.


На стороне сигнала в любом случае целесообразно ставить буферы-повторители, питающиеся от изолированного источника. Тогда никакого разбаланса из-за неравенства сопротивлений не будет.

Спасибо, но напрашивается вопрос - а как защитой от перенапряжений из вне?

Таких применений встречается достаточно много- например, датчик установлен в удаленной зоне. Более того, рядом с ним могут находится мощные источники помех- например, силовые цепи. Или это взрыво-пожароопасная зона, куда нельзя подводить неограниченную эл. мощность. Или это-"грязная" зона- радиоактивная, к примеру.Контроллеры/АЦП и близко поставить нельзя. На длинных концах в этих случаях может наводится сотни и даже тысячи вольт. Это не мои фантазии- упомянутые мной ранее требования на прибор с изоляцией в 1,5 кВ. базируются на ГОСТ, который определяет возможным такой уровень наводок в нек. местах АЭС.


Это обычно может иметь место в случае, когда источник сигнала и контроллер расположен конструктивно в одном блоке. В этом случае, действительно, можно обойтись классическим ИУ, или чем-то подобным INA117.Если, конечно, его собственные погрешности не будут сильно портить метрологию.



Эти устройства называются изолирующими барьерами- частный случай изолирующего усилителя с Ку=1, и весьма популярны в промавтоматике для решения задач подавления помех, которые мы, собственно, обсуждаем. Развязка обычно бывает или оптическая, или ВЧ трансформаторная.

Кратковременные помехи могут иметь большую амплитуду. Хороший пример - электростатический разряд. Устройство должно оставаться работоспособным при воздействии таких помех. Однако не так уж часто встречается, что спектр такой помехи перекрывается со спектром полезного сигнала. Чаще всего сигнал медленный. Поэтому можно применять медленные интегральные дельта-сигма АЦП со встроенными цифровыми фильтрами, подавляющими сетевые помехи 50 и 60 Гц.

В этом случае одиночные высоковольтные помехи, частично (примерно на 80 дБ) подавленные дифференциальным усилителем, будут окончательно задавлены фильтром. Как известно, опторазвязка и трансформаторная развязка обеспечивает подавление синфазных помех примерно на 120-130 дБ. Так что при 80 дБ подавлении останется задавить 40-50 дБ.


Они могут быть расположены где угодно, хоть в разных зданиях. Главное, что оба заземлены. При этом DC разбаланс между землями будет близок к нулю (исключение - разве что когда трамвай неподалеку проедет, и то, много ли от него наведется?). Средний разбаланс по переменному току может быть больше за счет сетевой наводки 50 Гц, но и он невелик, и уж никак не "сотни вольт".

Кратковременный разбаланс может быть каким угодно, в зависимости от условий. Для телефонных линий в принципе он может достигать нескольких тысяч вольт, за счет ударов молний в землю. Если линия не выходит за пределы здания, то худший случай - выброс энергии, накопленной в обмотках больших электрических машин - моторов, трансов, и пр. Обычно разбаланс из-за этого не превышает единиц вольт, но в аварийных случаях разбаланс между землями может достигать сотен вольт. Кратковременно и очень редко.

Это подействует только в том случае, если помеха не выведет систему из линейного режима- в противном случае фильтр не поможет.


В этом случае наводки по контуру (Электромагнитные, и не только сетевые) могут достигать и больших величин.


Норма на испытания- 1,5 кВ для линий закопанных в землю, и до 3 кВ.!! для воздушных.При этом, телефонные линии всегда выполняются экранированным кабелем. Телефонные линии (городские и сельские всегда выполняются с трансформаторной развязкой, учережденческие- могут и без. Вариант с бестрансформаторной схемой на городских сетях проходит плохо, хотя такие попытки были). Наводки поэтому имеют природу электромагнитной наводки на провода, падение напряжения от контурных токов давится трансформатором. Тоже самое наблюдает ся и в любых других протяженных линиях, плюс к этому ещё и падение напряжения от контурного тока, которое на пременном токе может быть большим за счет индуктивности проводов. К сожалению, это не столь редкое явление, особенно в присутствии мощных устройств. Мне приходилось наблюдать увеличение погрешности АЦП даже от включения пускателей (ток 1-2 А) и ламп, смонтированных в одном шкафу с промконтроллером. Развязки в этом случае не было. В случае большого вх. сопротивления схемы начинают оказывать влияние и электростатические помехи.

Усилители, выдерживающие большое синфазное (типа INA117), этому условию удовлетворяют.


Каких "больших"? Приведите пожалуйста оценочные значения.


Я привел телефонные линии как пример линий, выходящих за пределы здания. Для них требования к изоляции намного выше, чем к промконтроллерам. В некоторых странах для обычного оборудования испытательное напряжение изоляции равно 3750 В, а для телефонного - 4500 В


При этом наверняка использовались усилители, работающие с синфазными в пределах до +-10 В. Вот если бы там стояли усилители, работающие при синфазном хотя бы +-100 В, проблем бы не было.

Вот пример для развязки аналового сигнала:

Вот пример развязки по цифре

Вот развязка для ЦАП

Хотя конечно все определяется требованиями, в некоторых случаях например, мы использовали развязку с помощью оптоволокна

Можно поставить стабилитрон или стабилитрон + предохранитель, защиту можно сделать на транзисторе ...

Интересно, но ничего не видно! На схеме ADC какие операционики на входе? И опять же никакой защиты со стороны входов нет.

На входе ADC стоят AD623, защита по входу для данной схемы заключается в следующем:
1) Полисвитч на 30мА последовательно с датчиком тока ( стоит на выносной плате отдельно)
2) Посредством внутренних защитных диодов в AD623
Для первой схема защита по входу не предусматривалась

А вот еще вопрос - а нужен ли усилок на транзисторах на выходе DAC? Ведь по требованиям 61131-2 достаточно 20мА на 1кОм и защита по току, что умеет операционик. Или у вас ток больше (меньше нагрузка)?

И еще интересная вестчь - ваяю свой DAC на два выхода и пишел к такой схеме построения Low Cost serial DAC на два канала 12 bit, внешней Uref = 5V, на выходе операционик включенный по биполярной схеме тобишь имеем +/-5В, далее усилок с точным коэф. усиления 2, защищенный по току КЗ и перенапряжений из вне. На входе DAC для развязки ADUM и DC/DC +/-15В.

Этот DAC AD5531, который вы применили имеется только в одноканальном варианте.

Транзисторы нужны для двух целей:
1 усиление по току потому что этот драйвер предназначен для ЧПУ, а там случаи бывают разные
2 Защита опера и ЦАПА, транзисторы стоят копейки, а все остальное денег
Да я так тоже пару раз делал, просто для этой схемы нужно 6 прецизионных резисторов и два хороших опера. а это не всегда выгодно

По моим подсчетам, мой вариант получается дешевле. Операционики я ставлю TL074/

Вот еще вопрос - делаю цифровой выход - есть три варианта:

1) Использовать спец. микросхему VN808 специально заточенную для таких применений и ADUM развязку.
2) Использовать SSR оптореле (c защитой ничего в голову не приходит)
3) Использовать ADUM развязку -> последовательно параллельный регистр 74HC595 -> ULN2803

Кстати - мне говорят, что лучше коммутировать питание 24В - с чем это связано - бывают исполнительные устройства с питанием одним проводом (второй масса)?

В догонку - у вас с ADUMами проблем не было? - Говорят они зависают ;(

Это второстепенно, основная проблема - выключенное устройство находится под потенциалом +24В. Ремонтники регулярно замыкают +24 на землю, они же думают что лазят по выключенному станку. Замучаешся предохранители менять.

PS. plc.pdf от AD смотрел?

Ну тут от конкретной ситуации зависит, просто TL074 вряд ли сгодится для 14 - 16 bit систем
Для развязки использую обычно ADUM, а дальше как получится, с точки зрения дешевизны, доставаемости 3 вариант конечно лучше
Действительно лучше коммутировать 24в, поскольку мой опыт говорит, что персонал постоянно садит это питание на землю и вечно с этим возникают проблемы
ЗЫ Насчет ADUM был у них такой грех, защелкивались мы лечили резистором по питанию, но это было помойму один раз. Новые камни этим не страдают, во всяком случае мы не заметили.

Уже смотрю - интересный документ!

Меня еще интересует, кто и как и на какой частоте зарезает частотку на входе АЦП и как борится с промышленной частотой- наводками.



Почему не сгодится для 14-16 битных систем - можно конкретно?


Ну тогда вроде как лучше нижний ключ к земле и тогда при КЗ земля - выход ключа проблем для ключа нет, а срабатывает верхний предохранитель по 24В - или не так?

Фильтр на входе всегда ставлю по максимальной полосе входного сигнала, а дальше как правило обработка внутри процессора.
TL074 заточена больше, или скажем так, больше подходит для звука. Большое напряжение смещения, малый КОСС, температурный дрейф великоват, двуполярное питание.
Для сравнения можно сравнить с AD8551, который я часто применяю.
А почему предохранитель должен сгореть? Нагрузка то включена между ключом и 24 вольтами, ведь ток то ограничевается нагрузкой. Вообще то как коммутировать универсального рецепта нет, а выбор всегда зависит от конкретных условий.

Станислав, сейчас я занят созданием интерфейса для термопары J, вроде для нее компенсанционный дополнительный вход не нужен?

Можно ли основываясь на вашей схеме для тензодатчиков переделать ее под работу с термопарой? Что для этого необходимо? И схема мелкая и не видно некоторых элементов/номиналов, не понятна связь между входными операциониками - это автокомпенсация нуля? Хотелось что-то попроще и дешевле, чтобы все в одном без внешних операциоников.


Кстати я делаю 12битный DAC - TL074 сгодится? И вроде TL074 не такой уж и хайфайный - у него есть задатки инструментального

Вдогонку - AD8551 имеет напряжение питания 5В и не совсем сравним с более высоковольтным опером.

То же не годится - подсчитал и промоделировал - большое смещение, но если поставить TL071 и подстраивать ноль то потянет, но это наклкдно! Ставлю OP727 и все ОК!

Вот и я думаю почему людям так не нравится ОР - 07 и его клоны, классика жанра и стоит всего ничего

Для термопары нужна компенсация холодного спая! Достигается это тремя путями.
1) Непосредственная компенсация в схеме
2) Измерение температуры холодного спая отдельным датчиком температуры.
3) Использование специальных микросхем для термопар ( можно посмотреть у AD)
Я использую второй способ, обычно так удобней Нелинейность термопары компенсирую програмно.

Там схема для измерения токо 0 - 20 мА для датчиков давления, для тензомоста схема выглядит совсем по другому В присоединеном файле схема для термопары на одном ИУ AD623, разумеется ИУ можно использовать другой какой будет удобней., также это касается смещения выходного сигнала. Температура меряется отдельным датчиком TMP36 и на схеме не показана.
Кроме того для понимания работы с термопарой советую найти такой документ на autex.ru
"Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков"
Очень полезная штука для первоночального ознакомления. Так же очень много полезных книг и апонтоа на сайте AD, очень рекомендую!Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вожусь со схемой стыковки с инкрементальным датчиком - не понимаю назначение третьей фазы с датчика:

phase A\
подается на квадратурный декодер
phase B /

phase Z - ?????????????????

Уже разобрался Z - идексный маркер для более точной привязки - действия - или обнулять по сигналу Z счетчики или хранить отдельно в регистре значение счетчика по сигналу Z.

Приступил к цифровому входу - вроде все просто, а тем не менее возникает вопроc:

Рзвязку делаю оптронами, даллее думаю как поступать с сигналами цифрового ввода, вариант - опрашивать периодически по прерыванию и писать в память или делать прерывание по изменению сигнала на одном из входов? Как лучше организовать такую схему? У меня 32 цифровых входа?

2Stanislav_S: Как вы делаете цифровой вход?

Цифровой вход обычно делаю на оптронах, опрашиваю по таймеру ( конечно тут зависит от требуемого времени реакции) или в фоновой программе ну и конечно нельзя забывать о шумоподавлении , если не хватает ног то можно использовать расширители портов, но это зачастую дороговато.

Куда сигналы подаете после оптронов? Как входные цепи организованы (можно в схемку взглянуть) И про шумоподавление можно поподробнее?

Ну сигналы с оптронов обычно подаются на ножки микропроцессора или ( очень редко ) на расширители портов. Шумоподавление имеется ввиду програмное, это вещь нужна почти всегда. Ну цепиподключения стандартные тут ничего нового не придумаешь Правда в некоторых случаях требуется дополнительная защита ( сопрессоры, варисторы и т д), но это как правило экзотика.

Спасибо Станислав за ответы, еще вопрос и просьба:

Как вы защищаете входы (и какими - сопрессоры, варисторы и т д)?

Схему АЦП которую вы выкладывали можно приаттачить - так покрупнее будет?

Я уже выкладывал ссылку с примерами схемных решений.
http://electronix.ru/forum/index.php?s=&am...st&p=230227
А это интересующий вас кусок с того корейского сайта.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Это все понятно, но не профессионально!

Ну входы защищаю сопрессорами, обычно Р6КЕ10СА или можно более мощные 1,5КЕ, собственно можно и варистор, но это обычно зависит от конкретных условий, сопрессор (варистор) ставится параллельно оптрону, собственно все Можно еще полисвитч поставить, но это ИМХО для параноиков
Схему АЦП прикладываю.


Опс собственно файл.

Вышлю схему для PCAD2001

Позволю усомнитьсчя в адекватности оценки!

Дык усомнитьсчя,
еще рекомендую взглянуть в документацию Омрона (W395-E1-05+CJ1M-CPU+OperationManual.pdf), и посмотреть как у них те же интерфейсы сделаны. По ходу посмотреть в IEC61131-2/

Подсказываю: защита по току и напряжению, симметрия входа, защита от паразитных емкостей оптрона (EMI совместимость)...