Что это аналоговый выход контроллера

Что такое аналоговый вход

Аналоговый вход микроконтроллера – это вход, на который можно подавать аналоговый сигнал. То есть определённый вывод на корпусе микроконтроллера, к которому можно можно подключить датчик, на выходе которого имеется аналоговый сигнал.

В качестве простейшего такого датчика может быть, например, обычный резистивный делитель напряжения. Или переменный резистор, как показано на рисунке ниже:

В этом примере на выходе резистора будет аналоговый сигнал в виде плавно изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до +U В.

Подобные резистивные датчики можно использовать, например, как датчики положения задвижек. Если установить такой резистор на задвижку и откалибровать её положение по крайним значениям (например 0 В – задвижка полностью закрыта, а +U В – задвижка полностью закрыта), то, снимая показания с такого датчика, можно определить процент открытия (закрытия) задвижки, если знать закон изменения сопротивления переменного резистора (обычно сопротивление изменяется по линейному закону или близко к этому).

Типы входов и выходов

Информация о состоянии и данные, поступающие от машины/процесса, передаются в систему ввода/вывода ПЛК в виде бинарных, цифровых, инкрементных или аналоговых сигналов. Решения и результаты, определяемые функцией обработки, передаются в машину/процесс путем использования соответствующих бинарных, цифровых, инкрементных или аналоговых сигналов. Большое разнообразие применяемых датчиков и приводов требует их адаптации к широкому диапазону входных и выходных сигналов.

В системах ввода/вывода применяются различные способы обработки, преобразования и локализации сигналов. Работа и производительность ПЛК-системы зависят от статической/динамической оценки сигнала (обнаружения события), процедур хранения/не хранения, наличия оптоизоляции и т.д.

Системы ввода/вывода в целом демонстрируют модульную функцию, которая предусматривает конфигурирование ПЛК-системы в соответствии с потребностями машины/процесса, а также последующее расширение (вплоть до максимальной конфигурации).

Системы ввода/вывода могут быть смонтированы либо вблизи модулей обработки сигналов, либо вблизи датчиков и приводов машины/процесса отдельно от модулей обработки сигналов.

Аналоговый вход (analogue input)Устройство, которое преобразовывает непрерывный сигнал в дискретное мультибитовое двоичное число для работы в системе программируемых контроллеров.

Аналоговый выход

аналоговый выход (analogue output)Устройство, которое преобразовывает мультибитовое двоичное число из системы программируемых контроллеров в непрерывный сигнал.

Цифровой вход

цифровой вход типа 1 (type 1 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от механических контактов устройств переключения, например реле, кнопок, выключателей и т.п. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

Примечание – Цифровые входы типа 1 могут быть непригодны в случае использования полупроводниковых приборов, таких, как датчики, бесконтактные переключатели и т.д.

цифровой вход типа 2 (type 2 digital input): Устройство для измерительных сигналов от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

1 Приводимые здесь двухпроводные бесконтактные переключатели соответствуют IEC 60947-5-2.

2 Данный класс цифрового входа может использоваться вместо классов 1 и 3.

цифровой вход типа 3 (type 3 digital input): Устройство для измерительных сигналов, получаемых от полупроводниковых устройств переключения, например двухпроводных бесконтактных переключателей. Преобразует фактически сигнал с двумя состояниями в однобитовое двоичное число.

1 Данный класс цифрового входа может также использоваться вместо класса 1.

2 Цифровые входы типа 3 имеют более низкие электрические характеристики по сравнению с цифровыми входами типа 2. Обычно они имеют, благодаря этому, значительно более высокую плотность входного канала на один модуль или на одну единицу продукции. Отличие типа 3 от типа 2 заключается в том, что первый совместим с устройствами согласно IEC 60947-5-2, которые в состоянии “выключено” работают на низком токе. См. таблицу 8, в которой установлены рабочие диапазоны. Что касается совместимости с бесконтактными переключателями, то большое количество бесконтактных переключателей, совместимых с типом 2, должны быть совместимы также с типом 3.

Цифровой выход

цифровой выход (digital output): Устройство, которое преобразует однобитовое двоичное число в сигнал с двумя состояниями.

Комбинированный аналоговый выход тока и напряжения для промышленного применения

3 сентября 2019

Компания Texas Instruments является лидером на рынке компонентов для промышленного применения. Современные аналоговые решения от TI помогают построить наиболее популярные аналоговые выходные интерфейсы для промышленных систем управления.

Технические характеристики

Конструкция передатчика должна советовать следующим требованиям:

• напряжение питания: ±15 В;
• цифровой вход: 4-проводной SPI;
• цифровая изоляция: 4 кВ;
• разрешение: 16 бит;
• выходное напряжение: ±10 В с возможностью перенапряжения 10%;
• температура: 25°C.

В таблице 1 представлены измеренные и рассчитанные по результатам моделирования значения полной нескорректированной погрешности. На рисунке 1 показаны измеренные передаточные функции аналогового выхода в режимах выходного напряжения и выходного тока.

Рис. 1. Результаты измерения передаточной функции

Таблица 1. Полная нескорректированная погрешность модуля

Принцип действия

Рис. 2. Упрощенная схема DAC8760

Схема токового выхода

Цепь токового выхода включает два операционных усилителя А1 и А2, два MOSFET-транзистора Q1 и Q2 и три токочувствительных резистора RSET, RS2 и RS3. Двухступенчатый источник тока приводит в действие выход ЦАП, который управляет усилителем в цепи токового выхода.

Когда выход VOUT активен, транзистор Q2 заперт, и его ток не искажает выходной сигнал по напряжению.

Схема выхода по напряжению

Операционный усилитель А4 отделяет цепь обратной связи А3 от выходного каскада модуля. Благодаря А4 резисторы RF, RG1 и RG2 не создают дополнительного сопротивления в цепи выходного тока и не уменьшают тем самым возможный ток через нагрузку выхода. Тем не менее, операционный усилитель А4, находясь в цепи обратной связи А3, вносит дополнительную погрешность в схему аналогового выхода по напряжению. Учитывая, что А4 работает в буферном режиме, можно пренебречь его нелинейностью и погрешностью усиления, однако его напряжение смещения следует непосредственно включать в напряжение смещения каскада выхода по напряжению VOUT.

Цифровая изоляция

Большинство модулей аналоговых выходов должно быть изолировано от корпуса прибора, а также от других модулей. Обычно гальваническая развязка обеспечивается изоляцией цифровых сигналов между главным процессором/контроллером и ЦАП в схеме аналогового выхода. Существует множество способов создания такой изоляции. Гальваническая (емкостная) изоляция обладает целым рядом неоспоримых преимуществ.

Выбор компонентов

Рис. 3. Подробная схема комбинированного аналогового выхода

ЦАП DAC8760

В состав DAC8760 входят ЦАП, операционные усилители A1, A2 и A3, стабилизаторы напряжения VREG и VREF, а также ключи, транзисторы и резисторы, необходимые для создания настраиваемого драйвера токовых и выходов по напряжению для промышленного применения. Полная нескорректированная погрешность DAC8760 не превосходит 0,1% диапазона регулирования и включает в себя погрешность смещения, погрешность усиления и погрешность интегральной нелинейности при 25°С. Полная погрешность не более 0,1% диапазона регулирования справедлива для различных типов выходных каскадов по току и по напряжению, и закладывает отличную основу для создания прецизионных аналоговых схем. Наибольшая дифференциальная нелинейность ±1 наименьший значимый бит обеспечивает абсолютно монотонную работу выходов по току, и напряжению.

Интегральная нелинейность ЦАП вносит погрешность всего 0,022% от максимального значения из диапазона регулирования для выходного напряжения VOUT и 0,024% для выходного тока IOUT. Встроенный источник обеспечивает для ЦАП точное опорное напряжение VREF с температурным дрейфом не более 10 мкВ/°С. Четырехпроводной коммуникационный SPI-порт позволяет управлять одновременно несколькими устройствами DAC8760, используя четырехканальный цифровой изолятор для создания модулей с несколькими аналоговыми выходами.

Операционный усилитель

Буферный усилитель входит в схему обратной связи цепи выходного напряжения DAC8760. Любые погрешности по постоянному току этого усилителя сказываются на точности выходного напряжения всей схемы. Небольшое напряжение смещения, небольшой температурный дрифт этого напряжения, высокие коэффициенты подавления нестабильности питания и подавления синфазного сигнала способствуют тому, что итоговая погрешность, вносимая усилителем, будет как можно меньше. Для уменьшения влияния операционного усилителя на качество выходного токового сигнала IOUT применяют компоненты с небольшим входным током смещения, такие как операционные усилители на основе полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, полевых КМОП-транзисторов или биполярных транзисторов.

Цифровой изолятор ISO7641

DAC8760 имеет четыре входа для организации двунаправленной связи: SCLK, DIN, SDO и LATCH. Эти выходы должны бить изолированы от входов головного процессора с помощью цифрового изолятора. ISO7641 обеспечивает гальваническую развязку более 4 кВ и позволяет выполнять обмен данными на скорости до 25 МБ/с.

Пассивные компоненты

На печатной плате устройства предусмотрено место для установки внешнего резистора RSET. Если это место остается пустым – то не остается других пассивных компонентов, которые могут внести погрешность в работу схемы. Если же внешний резистор RSET используется, то он должен обладать высокой точностью и малым температурным коэффициентом.

В случае, когда аналоговый выход работает с большой емкостной нагрузкой, может потребоваться использование дополнительного компенсирующего конденсатора. Емкость этого компенсатора выбирается в соответствии с рекомендациями заводской документации на ЦАП DACx760. Все конденсаторы, используемые в схеме, должны быть рассчитаны на напряжение значительно большее, чем то, под которым они будут находиться в процессе работы, для того чтобы поддерживать их емкость на постоянном уровне во время прохождения сигнала. Рекомендуется использовать изолирующие конденсаторы типа C0G/NP0 (предпочтительно) или X7R.

Расчет производительности схемы

Производительность цепей токового выхода основывается на погрешности работы DAC8760. Небольшой ток смещения OPA192, всего 20 пА, показанный на рисунке 4, значительно меньше, чем выходной шум ЦАП, и не оказывает значительного влияния на точность работы токового выхода. Ожидаемая производительность выхода может быть рассчитана на основе паспортных данных, приведенных на рисунке 5.

Рис. 4. Заводские данные OPA192

Рис. 5. Заводские данные DAC8760

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 2.

Расчет точности выхода напряжения

В цепь обратно связи DAC8760 VOUT включен операционный усилитель. Итоговая погрешность выходного напряжения складывается из погрешностей ЦАП и этого операционного усилителя. Поскольку усилитель работает в режиме буфера, он не вносит в схему погрешности усиления и нелинейности. Величины напряжения смещения и коэффициента подавления синфазного сигнала OPA192, взятые и заводской документации, показаны на рисунке 6. В режиме буфера синфазное напряжение изменяется согласно входному сигналу и способствует дополнительной погрешности смещения. Наибольшей величины эта погрешность достигает при напряжениях +10 В и -10 В и может быть рассчитана по формуле 1. Напряжение смещения OPA192 складывается непосредственно с напряжением смещения биполярного нуля DAC8760, в соответствии с рисунком 7.

Рис. 6. Заводские данные OPA192

Рис. 7. Заводские данные DAC8760

Поскольку эти два напряжения смещения не коррелированы, суммарная погрешность смещения может быть рассчитана как корень из суммы квадратов отдельных составляющих, как указано в формуле 2:

Рассчитанные характеристики при температуре 25°C отображен в таблице 3.

Таблица 3. Результаты расчета характеристики выхода по напряжению ±10 В

Печатная плата

Для оптимизации работы схемы печатную плату выполняют в соответствии со стандартными рекомендациями по компоновке печатных плат, в том числе касающимися разделения интегральных схем и правильного подключения питания и заземления. Вход +VSENSE DAC8760 подключается непосредственно к выходной клемме, а не ко входу VOUT, для того чтобы избежать лишнего падения напряжения на проводящих дорожках. Схема печатной платы аналогового выхода показана на рисунке 8.

Рис. 8. Печатная плата

Измерение характеристик устройства

Измерение характеристик цепи выхода напряжения

Передаточная функция по постоянному току при работе выхода в режиме ±10 В получена с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Сопротивление нагрузки – 1 кОм, напряжение источника питания – ±15 В. Результаты измерений приведены в таблице 5 и показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Результат измерения передаточной функции выхода по напряжению ±10 В

Таблица 5. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода по напряжению ±10 В

Результаты измерений характеристик аналогового выхода

Таблица 6. Результаты расчета и измерения погрешностей выхода

Аналоги и модификации

DAC7760 – 12-битный эквивалент DAC8760, который может заменить его в схемах, где допустима меньшая разрядность устройства. Также комбинированный выход может быть выполнен на основе дискретного ЦАП, например, DAC856x, и выходного драйвера XTR300.

Для модулей с только токовым выходом IOUT применимы решения с интегрированными 12- и 16-битными ЦАП семейства DACx750. Для вариантов с дискретным выходным током применяют DAC856x и драйверы вывода XTR111.

В предложенной схеме в качестве буферного усилителя может применяться любой аналог с напряжение питания +36 В, отличной от OPA192. Однако, как упоминалось в разделе «Операционный усилитель: OPA192» , погрешности по постоянному току усилителя, в сочетании с погрешностями ЦАП, влияют на производительность выхода по напряжению VOUT. Выбор операционного усилителя с малым значением напряжения смещения, низким температурным дрейфом этого напряжения, высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания предотвратит снижение производительности всей системы. OPA192 – высокоточное устройства серии E-trim. Другие операционные усилители этой серии также отлично подходят для использования в схеме. Аналогичными характеристиками обладают усилители из серии Zero-drift, такие как OPA188. В схеме можно использовать и операционные усилители на напряжение +36 В: OPA277, OPA170 или OPA140 (таблица 7). При использовании усилителей с однополярным питанием необходимо, тем не менее, наличие выхода для подключения напряжения отрицательной полярности как в цепи входного сигнала, так и в цепи выходного сигнала.

Таблица 7. Варианты операционных усилителе +36 В

Перевел Павел Плескацевич по заказу АО КОМПЭЛ

Аналоговые входы микроконтроллера

Микроконтроллеры /
Для начинающих /

Почти все модели современных микроконтроллеров, даже простые и недорогие, такие как
ATtiny13A, имеют возможность подключения аналоговых сигналов, то есть имеют аналоговые входы.

В старых микроконтроллерах могло и не быть аналоговых входов. А если и были, то обычно они выполнялись в виде отдельных выводов на корпусе микроконтроллера.

Современные микроконтроллеры обычно имеют линии ввода-вывода общего назначения, которые становятся либо дискретными входами или выходами, либо аналоговыми, в зависимости от программной конфигурации устройства.

Чем отличаются аналоговые входы от дискретных?

Для начала вспомним, что дискретный – это прерывистый сигнал. То есть сигнал, который имеет какое-то фиксированное число значений.

Аналоговый же сигнал – это непрерывный сигнал. То есть сигнал, значение которого изменяется плавно (см. рис.).

Красным цветом изображён аналоговый сигнал. Это может быть напряжение, температура, давление или любая другая физическая величина.

Если провести аналогию с лампочкой, как мы это сделали при изучении дискретных входов, то можно сказать так:

• При подаче дискретного двоичного сигнала на вход лампочка либо гаснет, либо зажигается.
• При подаче и изменении аналогового сигнала на вход лампочка плавно меняет свою яркость свечения.

Как мы знаем, микроконтроллер может работать только с электрическими сигналами. Более того, архитектура микроконтроллера использует двоичные числовые значения.

Поэтому, чтобы измерить с помощью микроконтроллера, например, температуру, нам сначала потребуется преобразовать её в электрический сигнал. Например, в напряжение.

А потом ещё значение этого напряжения надо как-то преобразовать в двоичное число.
Забегая вперёд, скажу, что это делается с помощью АЦП.

Типы аналоговых входов

Пожалуй, говорить о типах аналоговых входов неинтересно. Потому что нас больше интересуют типы аналоговых сигналов.

Существуют определённые стандарты для аналоговых сигналов. Созданы они для того,
чтобы разработчикам было проще создавать устройства и системы, использующие аналоговые датчики.

Наиболее распространены два вида аналоговых сигналов:

• Токовые сигналы
• Сигналы напряжения

По диапазону значений на выходе датчика они также отличаются. Основные диапазоны следующие:

• Токовые:
• Напряжения:

Поэтому практически все устройства, рассчитанные на подключение аналоговых датчиков, поддерживают один или несколько из перечисленных выше типов аналоговых сигналов.

Если вы будете создавать свои устройства на микроконтроллерах, то я также советую вам придерживаться этих стандартов. Хотя, конечно, никто не может запретить вам использовать нестандартные диапазоны и типы аналоговых сигналов.

Также надо учитывать, что все аналоговые входы микроконтроллера имеют и другие характеристики, такие как входное сопротивление. Но так глубоко в электронику в этой статье мы не полезем – всё таки она рассчитана на начинающих.

Подключение аналоговых входов

Здесь ничего сложного нет. И это уже электроника, а не устройство микроконтроллера,
и тем более не программирование.

Но всё же немного об этом рассказать надо.

К аналоговым входам обычно подключают устройства двух типов:

• Активные датчики – датчики со стандартным аналоговым выходом (см. выше).
• Пассивные датчики.

С активными датчиками проще. Если выбранный вами микроконтроллер это позволяет, то выход такого датчика можно напрямую (или через простой резистивный делитель) подключить к аналоговому входу микроконтроллера.

С пассивными датчиками сложнее, потому что они пассивные )))

То есть на выходе таких датчиков не какого-либо активного сигнала (ни тока, ни напряжения, ни частоты).

Например, термопреобразователи сопротивления – довольно широко распространённые в автоматизации датчики температуры, изменяют своё сопротивление, как вы понимаете, в зависимости от температуры.

Однако микроконтроллер не умеет измерять сопротивление. И чтобы его этому научить, надо каким-то образом пассивный сигнал сделать активным. Один из простейших способов (но не самый лучший) показан на рисунке ниже:

Здесь мы видим простой резистивный делитель, одним звеном которого (на рисунке – нижним) является термосопротивление. Так как его сопротивление будет изменяться вместе с температурой, то и напряжение на аналоговом входе микроконтроллера тоже будет меняться. Эти изменения мы и можем зафиксировать и преобразовать уже программно в значение температуры (зная зависимость термосопротивления от температуры, и рассчитав напряжение на аналоговом входе).

Повторюсь – это не лучший способ. И не со всеми микроконтроллерами и не со всеми термосопротивлениями такой трюк можно проделать. Но зато это простой способ.

Для тех, кто ещё не понял, объясняю: таким нехитрым способом, как показано на рисунке, мы превратили пассивный датчик в активный. То есть преобразовали сопротивление в напряжение.

Сухое, мокрое и дискретное – все о контактах

Дискретный вход (Цифровой вход) – это вход прибора или контроллера для подключения неких внешних устройств или датчиков, чей выход имеет конечное число устойчивых состояний. В системах мониторинга, сетевой автоматики, в охранно-пожарных системах и охранном телевидении, например, таких состояния 2: “замкнуто” и “разомкнуто”. Примером дискретного входа может служить, например, шлейф многих охранных сигнализаций, срабатывающих на разрыв линии. Каждый вход для подключения охранных шлейфов в таких системах, по сути, является дискретым входом, который воспринимает только 2 состояния – или обрыв, или, наоборот, замыкание.

Аналоговый вход – более широкое понятие. В отличии от дискретных сигналов (когда имеется конечное число устойчивых состояний, например 2) аналоговые сигналы могут иметь сложную форму и зависимости. Например, изменяющийся уровнеь напряжения или тока в цепи – это аналоговый сигнал. Аналоговый вход контроллера представляет собой вход т. н. АЦП (аналого-цифрового преобразователя – специального устройства, преобразующего аналоговый сигнал в цифровую последовательность (код) для дальнейшей обработки внутри контроллера. Аналоговые входы можно использовать, например, для измерения уровня
напряжения, величины сопротивления или протекающего тока и т. д. и т. п.

Дискретный выход (Цифровой выход) – это выход датчика или контрольного прибора, который имеет 2 устойчивых состояния, например, “замкнут” и “разомкнут”. Это может быть дверной датчик охранной сигнализации (магнитоконтакт, “геркон”), концевой выключатель, кнопка или выход реле какого-либо прибора. На самом деле, даже транзисторный выход микроконтроллера (типа “открытый коллектор”) так же является дискретным, т.к. тоже имеет 2 устойчивых состояния – включен или выключен (транзистор открыт или транзистор закрыт), но в современной автоматике чаще всего можно встретить дискретный выход именно в виде контактов реле, работающих на замыкание, размыкание, или с перекидной контактной круппой – выходы “нормально замкнут” (НЗ, NC), “нормально разомкнут” (НР, NO) и “общий” (C).

«Сухой контакт» – термин, означающий отсутствие гальванической связи между этим контактом и другими электрическими цепями прибора или с землей. То есть это контакт, который гальванически полностью отвязан от всех цепей управляющего устройства. Согласно другом определению «сухим контактом» называют контакт, между выводами которого в любом состоянии нет никакого подведенного напряжения (при отсутствии внешних цепей). Пример «сухого контакта» – выходы реле различных приборов, выключатели, кнопки и т. п.

В противоположность «сухому контакту» существует понятие «мокрый контакт». Это контакт, который в одном из своих положений имеет некое самостоятельно создаваемое напряжение между своими выводами и/или не имеет гальванической развязки с остальными цепями прибора и его источником питания. Пример такого контакта – аналоговый вход контроллера, оптической развязки или выход типа «открытый коллектор».