AFE

Основы измерения тока: Часть 3. Funnel-усилители

Чувствительность по току является важной функцией в электронных системах, но сопровождается рядом сложных аспектов, которые часто недооцениваются. В первой части этого цикла статей обсуждались современные токоизмерительные резисторы. Во второй - конструкция и использование усилителей для повышения развиваемого на резисторах напряжения до приемлемых уровней. В третьей части обсуждается использование так называемых Funnel-усилителей при измерении тока в тех случаях, когда нагрузка управляется высокими напряжениями
696
В избранное

Чувствительность по току является важной функцией в электронных системах, но сопровождается рядом сложных аспектов, которые часто недооцениваются. В первой части этого цикла статей обсуждались современные токоизмерительные резисторы. Во второй - конструкция и использование усилителей для повышения развиваемого на резисторах напряжения до приемлемых уровней. В третьей части обсуждается использование так называемых Funnel-усилителей при измерении тока в тех случаях, когда нагрузка управляется высокими напряжениями.

Точное измерение силы тока выполнить не так просто, как измерение напряжения. А еще сложнее - измерить ток, протекающий через нагрузку, подключенную к источнику питания с относительно высоким напряжением. Токоизмерительные резисторы, также известные как шунты или шунтовые резисторы,  благодаря высокой точности измерения, небольшим значениям температурного коэффициента и относительно малой стоимости являются альтернативной технологией для измерения тока. Из-за их низкого импеданса небольшое напряжение на шунтовом резисторе обычно приходится повышать. Эта задача часто выполняется токоизмерительным усилителем, подключенным к низкой или высокой сторонам напряжения питания.

Тем не менее, когда нагрузка подключена к источникам питания с относительно высоким напряжением, как, например, в промышленных системах управления, токоизмерительный резистор может иметь значительно увеличенное сопротивление и при этом не отнимать у нагрузки слишком большую часть управляющего напряжения. На таком сопротивлении, увеличенном обычно до миллиом или микроом, падает при измерении тока гораздо большее напряжение, нежели на токоизмерительных шунтах малого сопротивления. Эти распознаваемые напряжения часто могут достигать нескольких вольт в промышленном оборудовании большой мощности, таком как двигатели или преобразователи энергии.

Такие распознаваемые напряжения часто приходится понижать и смещать по уровню, прежде чем их можно будет подавать на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обычно работающий от однополярного источника питания 3 или 5 В. Цепь формирования затухания и смещения уровня сигнала иногда называется цепью сигнальной воронки (funnel), потому что воспринимаемый с датчика сигнал напряжения сужается, когда он проходит через эту цепь к АЦП. Традиционно для понижения или сужения (funneling) этих напряжений используют цепи пассивного затухания. Но дифференциальный Funnel-усилитель предлагает альтернативу, которая повышает точность измерения при одновременном снижении количества используемых компонентов.

Funnel-усилитель может выполнять до трех задач преобразования сигнала:

  • ослабляет снимаемое напряжение до уровней, приемлемых для АЦП на конце цепи аналогового входного интерфейса (AFE);
  • выполняет преобразование (смещение) уровня, если это необходимо, например, в схемах на высокой стороне напряжения;
  • может иметь дифференциальные выходы, которые необходимы для управления полностью дифференциальными АЦП.

Разработчикам приходится измерять небольшие сигналы, наложенные на очень большие синфазные напряжения порядка сотен вольт, о чем вы можете более подробно узнать в статье «Измерение малых сигналов на фоне высоких напряжений и устранение "земляной петли" для датчиков». 

Измерение со стороны низкого и высокого напряжений

Наиболее распространенная конфигурация сигнальной цепи для контроля силы тока, показанная на рисунке 1, включает шунтовый резистор, AFE, АЦП и системный контроллер. Операционный усилитель, или специализированный токоизмерительный усилитель, преобразует небольшое дифференциальное напряжение, падающее на шунтовом резисторе, в усиленное выходное напряжение, требуемое для АЦП.

 

Самый простой способ измерения силы тока связан с использованием шунтового резистора (крайний слева на рисунке), на котором падает напряжение, пропорциональное протекающему через него току

Рис. 1. Измерение силы тока с использованием шунтового резистора

При измерении тока на стороне низкого напряжения шунтовый резистор устанавливается между активной нагрузкой и заземлением. Измерения тока со стороны низкого напряжения проще реализовать благодаря тому, что напряжение с шунтового резистора снимается относительно земли. Однако конфигурация измерения на стороне низкого уровня напряжения имеет и существенный недостаток: шунтовый резистор расположен между нагрузкой и землей, а это означает, что нагрузка не заземлена. Кроме того, не могут быть обнаружены токи утечки через возникающие замыкания от нагрузки к земле.

В схеме измерения тока со стороны высокого напряжения шунтовый резистор устанавливается между источником питания и активной нагрузкой. На рисунке 2 показаны схемы для измерения тока на стороне низкого и высокого уровней напряжения. При измерениях со стороны низкого напряжения токоизмерительный резистор устанавливают в разрыв цепи между активной нагрузкой и заземлением, тогда как при измерениях со стороны высокого напряжения токоизмерительный резистор устанавливают между источником питания и нагрузкой.

При измерениях со стороны низкого напряжения  токоизмерительный резистор устанавливают в разрыв цепи между активной нагрузкой и заземлением, тогда как при измерениях со стороны высокого напряжения  токоизмерительный резистор  устанавливают между источником питания и нагрузкой

Рис. 2. Схемы для измерения тока на стороне низкого и высокого уровней напряжения

Измерения тока со стороны высокого напряжения имеют два ключевых преимущества по сравнению с измерениями со стороны низкого напряжения:

  • легко обнаружить возникающее внутри нагрузки короткое замыкание на корпус, потому что результирующий ток короткого замыкания будет протекать через токовый шунтовый резистор и создавать на нем повышенное напряжение;
  • измерения на стороне высокого напряжения не связаны с точкой заземления, поэтому разностные напряжения на шине заземления, создаваемые большими протекающими токами, не влияют на результат измерения;
  • измерения тока со стороны высокого напряжения также имеют один существенный недостаток: напряжение снимаемого сигнала накладывается поверх относительно большого синфазного напряжения.

В любом варианте измерения высоковольтные и мощные нагрузки могут легко порождать напряжения на токоизмерительном резисторе, которые превышают предельно допустимые входные значения и даже напряжение источника питания АЦП, используемого для преобразования снимаемых значений напряжения в цифровые данные. В таких случаях требуется вносить некоторое затухание. Кроме того, напряжение сигнала при измерении со стороны высокого напряжения питания накладывается на большое напряжение смещения, которое часто достигает десятков или даже сотен вольт. В этих случаях необходимо выполнить смещение уровня, чтобы сдвинуть напряжение сигнала в диапазон входных напряжений АЦП.

Funnel-усилители включают в себя тщательно подобранные и подстроенные на заводе резисторы, чтобы установить прецизионные усиления и смещения напряжения. Эти интегральные резисторы обеспечивают лучшую работу и точность, чем конструкции на дискретных, несогласованных резисторах, при этом еще и уменьшая общее количество деталей. Наконец, высокопроизводительные АЦП, используемые в этих случаях для измерения тока, могут иметь дифференциальные входы, поэтому некоторые Funnel-усилители имеют дифференциальные выходы для оптимального согласования с такими АЦП.

История о двух Funnel-усилителях

Полностью дифференциальные Funnel-усилители Analog Devices LT1997-2, LT1997-3 и  AD8475 используют интегрированные прецизионные резисторы. Все три устройства предназначены для выполнения аналогичных задач по преобразованию сигнала, но при этом все они имеют очень разные функции.

Два  Funnel-усилителя Analog Devices LT1997 с выбираемым усилением представляют собой ослабляющие (Funnel) дифференциальные усилителя, которые могут смещать дифференциальные сигналы высокого напряжения в более низкий диапазон, совместимый с входами АЦП. Оба устройства LT1997 включают на одном кристалле прецизионный операционный усилитель и набор подобранных внутренних резисторов. Эти устройства могут точно ослаблять и выравнивать напряжения смещения, без использования дополнительных внешних компонентов. На рисунке 3 показана внутренняя принципиальная схема усилителя LT1997-2 для корпуса типа DFN, а на рисунке 4 показана такая же схема усилителя LT1997-3 для корпуса MSOP.

Усилитель LT1997-2 содержит несколько точно подобранных резисторов, которые можно комбинировать для получения высокоточных дробных коэффициентов усиления и ослабления

Рис. 3. Усилитель LT1997-2 содержит несколько точно подобранных резисторов, которые можно комбинировать для получения высокоточных дробных коэффициентов усиления и ослабления

Усилитель LT1997-3 содержит несколько точно подобранных резисторов, которые можно объединить для получения нескольких высокоточных дробных коэффициентов усиления и ослабления

Рис. 4. Усилитель LT1997-3 содержит несколько точно подобранных резисторов, которые можно объединить для получения нескольких высокоточных дробных коэффициентов усиления и ослабления

Обратите внимание, что схемотехника у этих двух устройств во многом схожа, но значения резисторов значительно отличаются, хотя номера деталей очень похожи. Также обратите внимание, что в корпусе DFN есть один внутренний резистор, подключенный к выводу REF, а в корпусе MSOP в этой цепи имеются два резистора с увеличенным сопротивлением, подключенных к выводам REF1 и REF2.

При параллельном соединении резисторов эта цепь равноценна в обоих корпусах, но такая особенность корпуса MSOP позволяет подключать два резистора к шинам питания, чтобы без каких-либо дополнительных компонентов точно установить среднюю точку опорного напряжения на положительном входе внутреннего усилителя. Конфигурация с разделенным резистором используется в LT1997-2 и LT1997-3 в корпусах MSOP.

Внутренние входные резисторы LT1997 могут подключаться по-разному для выбора усиления в широком диапазоне. Можно подключить входные резисторы так, чтобы получить множество настроек затухания, которые создает Funnel-усилитель. В таблице 1 перечислены 38 настроек дробного ослабления, которые возможны при использовании внутренних положительных входных резисторов усилителя LT1997-2. В ней зафиксированы точно подобранные положительные входные резисторы усилителя LT1997-2, которые могут комбинироваться для получения целого ряда высокоточных уровней дробного ослабления. В таблице 2 перечислены 30 возможных настроек с внутренними положительными входными резисторами LT1997-3. В эту таблицу внесены точно подобранные положительные входные резисторы усилителя LT1997-3, которые могут комбинироваться для получения целого ряда высокоточных уровней дробного ослабления.

Таблица 1. Коэффициенты усиления (затухания) для дифференциального усилителя

Усиление Затухание V+IN V-IN GND (REF) OUT
0,0455 22 -INB, +INC +INB, -INC +INA -INA
0,05 20 -INB, +INC +INB, -INC    
0,0556 18 -INB, +INC +INB, -INC -INA +INA
0,069 14,5 +INA -INA +INB, +INC -INB, -INC
0,08 12,5 +INA -INA +INC -INC
0,0833 12 +INA -INA +INB -INB
0,0952 10,5 +INA -INA -INB, +INC +INB, -INC
0,1 10 +INA -INA    
0,1053 9,5 +INA -INA +INB, -INC -INB, +INC
0,125 8 +INA -INA -INB +INB
0,1333 7,5 +INA -INA -INC +INC
0,1481 6,75 +INB -INB +INA, +INC -INA, -INC
0,15 6,6667 -INA, +INC +INA, -INC    
0,16 6,25 +INB -INB +INC -INC
0,1739 5,75 +INB -INB -INA, +INC +INA, -INC
0,1818 5,5 +INB -INB +INA -INA
0,1875 5,3333 -INA, +INC +INA, -INC -INB +INB
0,1923 5,2 +INC -INC +INA, +INB -INA, -INB
0,2 5 +INB -INB    
0,2083 4,8 +INC -INC +INB -INB
0,2222 4,5 +INB -INB -INA +INA
0,2273 4,4 +INC -INC +INA -INA
0,24 4,1667 +INA, +INB -INA, -INB +INC -INC
0,25 4 +INC -INC    
0,2667 3,75 +INB -INB -INC +INC
0,2778 3,6 +INC -INC -INA +INA
0,2917 3,4286 +INA, +INC -INA, -INC +INB -INB
0,3 3,3333 +INA, +INB -INA, -INB    
0,3077 3,25 +INB -INB -INA, -INC +INA, +INC
0,3125 3,2 +INC -INC -INB +INB
0,35 2,8571 +INA, +INC -INA, -INC    
0,3571 2,8 +INC -INC -INA, -INB +INA, +INB
0,4 2,5 +INA, +INB -INA, -INB -INC +INC
0,4091 2,4444 +INB, +INC -INB, -INC +INA -INA
0,4375 2,2857 +INA, +INC -INA, -INC -INB +INB
0,45 2,2222 +INB, +INC -INB, -INC    
0,5 2 +INB, +INC -INB, -INC -INA +INA
0,55 1,8182 +INA, +INB, +INC -INA, -INB, -INC    

Таблица 2. Конфигурирование положительных выводов для выбора усиления

  Подключения положительных входов
Усиление +INA +INB +INC REF
0,0714 VIN GND GND GND
0,0769 VIN GND GND OPEN
0,0909 VIN OPEN GND GND
0,1 VIN OPEN GND OPEN
0,143 VIN GND GND VIN
0,182 VIN OPEN GND VIN
0,2 VIN GND OPEN GND
0,214 GND VIN GND GND
0,231 OPEN VIN GND GND
0,25 VIN GND OPEN OPEN
0,286 VIN VIN GND GND
0,308 VIN VIN GND OPEN
0,357 VIN VIN GND VIN
0,4 VIN GND OPEN VIN
0,5 VIN OPEN OPEN GND
0,6 GND VIN OPEN GND
0,643 GND VIN VIN GND
0,692 OPEN VIN VIN GND
0,714 VIN GND VIN GND
0,75 OPEN VIN OPEN GND
0,769 VIN GND VIN OPEN
0,786 VIN GND VIN VIN
0,8 VIN VIN OPEN GND
0,818 GND OPEN VIN GND
0,857 GND VIN VIN GND
0,9 OPEN OPEN VIN GND
0,909 VIN OPEN VIN GND
0,923 OPEN VIN VIN GND
0,929 VIN VIN VIN GND
1 VIN VIN VIN VIN

Таблицы 1 и 2 иллюстрируют ряды точных затуханий, возможных только при использовании встроенных резисторов Funnel-усилителей LT1997-2 и LT1997-3, но это еще не все. Другие внутренние резисторы также можно использовать для программирования усиления усилителя. Тогда результат на выходе усилителя будет произведением ослабления, умноженного на усиление. Конечно, также можно добавить в схему внешние прецизионные резисторы, если ни одна из комбинаций затухания/усиления с использованием внутренних резисторов не соответствует общим проектным требованиям. Однако при использовании внешних дискретных резисторов пропадают преимущества точного подбора заводских резисторов.

Funnel-усилители LT1997-2 и LT1997-3 могут работать в очень широком диапазоне входного синфазного напряжения, достигающего 76 В, выше отрицательной шины питания устройства. Используя внутренние входные резисторы устройства в конфигурации делителя напряжения, аналоговые входы INA LT1997-3 могут безопасно управляться напряжением до ±160 В, а входы INA LT1997-2 -  напряжением до ± 255 вольт.

Точное согласование внутренних резисторов приводит к высоким коэффициентам подавления синфазного сигнала для обоих устройств. Эта экстремальная способность воспринимать сигналы с очень большими синфазными напряжениями основана на возможности, которую компания Analog Devices называет «зашкаливающим» (Over-The-Top) процессом. Он допускает экстремальные синфазные напряжения за счет компромиссного решения по другим характеристикам, включая линейность, входной ток смещения и разбаланс, дифференциальный входной импеданс, шум и полосу пропускания, когда устройство находится в режиме "Over-The-Top". Может показаться, что такое количество ухудшающихся параметров делают использование этого режима бессмысленным, но выгода заключается в способности обрабатывать высокие входные напряжения, которые привели бы другие усилители к выходу из строя.

Усилители LT1997-2 и LT1997-3 имеют полный набор технических характеристик для работы с однополярными на 5 В и двухполярными на ±15 В источниками питания, но они также будут работать и в более широком диапазоне напряжений питания, составляющем 3,3…50 В. Наконец, обратите внимание на то, что усилители LT1997 имеют несимметричные выходы.

Полностью дифференциальный Funnel-усилитель

Полностью дифференциальный Funnel-усилитель AD8475 производства Analog Devices обеспечивает точное затухание на 0,4 или 0,8, синфазное смещение уровня, а также преобразование несимметричных сигналов в дифференциальные с защитой от перенапряжения на входе (рисунок 5). Устройство содержит полный набор блоков для создания AFE, в том числе подобранные входные резисторы с лазерной подстройкой и прецизионный дифференциальный усилитель. Этот усилитель может использоваться для сопряжения сигналов промышленного уровня с дифференциальными входами низковольтных высокопроизводительных 16- или 18-разрядных АЦП SAR (successive approximation - последовательное приближение) с питанием от однополярного источника. Усилитель AD8475 может обрабатывать сигналы ±10 В с помощью одного источника питания и обеспечивает защиту от перенапряжения по входу до ±15 В при работе от одного источника питания 5 В.

 

Полностью дифференциальный Funnel-усилитель AD8475 от Analog Devices имеет вывод программируемого усиления 0,8 и 0,4 с использованием внутренних подобранных резисторов с лазерной подстройкой

Рис. 5. AD8475 имеет вывод программируемого усиления 0,8 и 0,4 с использованием внутренних подобранных резисторов с лазерной подстройкой

AD8475 поставляется с двумя стандартными вариантами усиления: 0,4 и 0,8. Усиление схемы устанавливается с помощью входного контакта, соответствующего желаемому усилению.

Сильноточный дифференциальный выходной каскад Funnel-усилителя AD8475 позволяет ему с минимальной ошибкой управлять входными цепями переключаемых конденсаторов многих АЦП. Кроме того, улучшенные высокоскоростные выходы AD8475 позволяют ему достигать 18-разрядной точности, допуская скорость захвата до 4 мегапикселей в секунду. Это позволяет измерять ток (и, следовательно, мощность) с высокой скоростью. Дифференциальный выход усилителя легко сопрягается со входами SAR, Σ-Δ и конвейерных АЦП.

Усилитель AD8475, управляющий дифференциальными входами 18-разрядного АЦП с низким энергопотреблением Analog Devices AD7982, показан на рис. 6.

Дифференциальные выходы Funnel-усилителя AD8475 могут напрямую управлять дифференциальными входами таких АЦП как AD7982

Рис. 6. Дифференциальные выходы Funnel-усилителя AD8475 могут напрямую управлять дифференциальными входами таких АЦП как AD7982

Этот дифференциальный вход АЦП работает от однополярного источника питания. Три синусоидальных сигнала иллюстрируют эту схему, выполняющую с помощью Funnel-усилителя все три задачи по обработке сигналов: затухание, сдвиг уровня и дифференциальное управление. Обратите внимание на два синусоидальных сигнала в центре вверху и внизу рисунка, которые смещены по фазе на 180?. Эти две формы сигнала демонстрируют выходные дифференциальные возможности усилителя AD8475.

Источник опорного напряжения с ультрамалым уровнем шума XFET® ADR435 производства Analog Devices, расположенный в нижней левой части рисунка 6, формирует с прецизионной точностью напряжение 5 В для этой схемы.

Схема на рисунке 6 изображает двухполярный переменный входной сигнал ±10 В от токоизмерительного резистора. ADR435 ослабляет и сдвигает уровень своего входного сигнала в соответствии с требованиями входа АЦП AD7982, в конечном итоге воздействуя на входы АЦП сигналом с пиковым размахом амплитуд 4 В, имеющим постоянную составляющую на уровне 2,5 В. Делитель напряжения, выполненный из двух резисторов на 10 кОм (рисунок 6, нижний правый угол схемы), создает смещение 2,5 В для опорного напряжение на входном контакте VOCM AD8475, который используется для установки выходного напряжения смещения усилителя. Эта функция позволяет инженеру-проектировщику подобрать точное напряжение смещения, соответствующее используемым в конструкции АЦП.

Заключение

Часто в промышленных системах используют нагрузки с относительно высоким управляющим напряжением. В таких случаях аналоговый интерфейс схемы измерения тока со стороны высокого напряжения должен допускать уровень напряжения входного сигнала, который часто превышает напряжение питания. Работа с такими входными напряжениями требует как ослабления сигнала, так и смещения уровня. Funnel-усилители специально разработаны для решения этих задач по формированию сигнала с использованием подобранных на заводе прецизионных резисторов с лазерной подстройкой.

Кроме того, оснащенные дифференциальными выходами Funnel-усилители легко управляют высокоскоростными АЦП, которые имеют переключаемые входные цепи конденсаторов с очень специфическими требованиями к управлению.

Предыдущие главы:

Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AD8475ARMZ
AD8475ARMZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 659652 ИНФО PDF RD
Доступно: 120 шт. от 1 шт. от 540,21
Выбрать
условия
поставки
дифференциальный прецизионный усилитель
AD8475ARMZ от 1 шт. от 540,21
120 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AD8475ARMZ-R7
Analog Devices Inc.
Арт.: 659653 ИНФО RD
Доступно: 122 шт. от 2 шт. от 809,57
Выбрать
условия
поставки
дифференциальный прецизионный усилитель
AD8475ARMZ-R7 от 2 шт. от 809,57
122 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AD8475BRMZ
AD8475BRMZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 1107834 PDF RD
Доступно: 96 шт. от 1 шт. от 675,78
Выбрать
условия
поставки
DIFFERENTIAL AMPLIFIER, 150MHZ, 50V/us,
AD8475BRMZ от 1 шт. от 675,78
96 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LT1997IMS-3#PBF
LT1997IMS-3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331232 ИНФО PDF
Доступно: 75 шт. от 25 шт. от 864,89
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 1.1MHZ, 0.75V/US, MSOP-16
LT1997IMS-3#PBF от 25 шт. от 864,89
75 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT1997HDF-3#PBF
LT1997HDF-3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331543 ИНФО PDF
Доступно: 106 шт. от 3 шт. от 612,58
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 1.1MHZ, 0.75V/US, DFN-14
LT1997HDF-3#PBF от 3 шт. от 612,58
106 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT1997HMS-3#PBF
LT1997HMS-3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331669 ИНФО PDF
Доступно: 72 шт. от 1 шт. от 902,41
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 1.1MHZ, 0.75V/US, MSOP-16
LT1997HMS-3#PBF от 1 шт. от 902,41
72 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT1997IDF-3#PBF
LT1997IDF-3#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2331816 ИНФО PDF
Доступно: 47 шт. от 18 шт. от 1360,41
Выбрать
условия
поставки
OP-AMP, 1.1MHZ, 0.75V/US, DFN-14
LT1997IDF-3#PBF от 18 шт. от 1360,41
47 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()