Выбор носителя сигнала: напряжение или ток

Выбор носителя сигнала для передачи измерительных данных от датчика к электронным блокам зависит от нескольких факторов. Наиболее существенное соображение, ко­торое следует принимать во внимание, — сигнал должен быть по возможности мало­чувствительным к электрическим возмущениям.

Передача сигнала напряжением

Каждый кабель обладает определенным погонным сопротивлением. Если входной импеданс последнего элемента в цепи — устройства обработки сигна­ла — не бесконечность, то по кабелю будет протекать ток и в результате про­изойдет падение напряжения. Если изменяется амплитуда сигнала, то некото­рый ток потечет между проводами из-за распределенных емкостей. Следовательно, разумно всегда считаться с некоторым падением напряжения на линии передачи. Требование, чтобы устройства обработки имели высокий вход­ной импеданс, приводит к тому, что они очень чувствительны к помехам. Следо­вательно, напряжение не слишком пригодно для передачи данных в случаях, когда могут быть заметные помехи.

Одним из способов передачи сигнала напряжением является организация трехпроводной системы (рис.7). По одному проводу течет постоянный ток для пита­ния датчика, по другому поступают сигналы от датчика к согласующим и обраба­тывающим устройствам, а третий провод является общим для обоих контуров. По двум проводам течет постоянный ток; по сигнальному проводу ток не течет, следо­вательно, нет падения напряжения. Преимущество этого решения в том, что изменения сопротивления сигнального провода, например из-за колебаний температуры, не сказываются на сигнале: по этому проводу не протекает ток и, следовательно, на нем нет падения напряжения. Чувствительность к внешним помехам остается, однако, неизменной.

Рис. 7. Подключение датчика в трехпроводной цепи

Главная причина популярности напряжения для передачи сигналов — это, с од­ной стороны, присущая этому методу простота, а с другой — широкая доступность устройств для усиления, фильтрации и других видов обработки. Например, если необходимо, чтобы один и тот же сигнал поступил на вход нескольких схем, доста­точно соединить эти схемы параллельно (с учетом входного импеданса).

Передача сигнала током

Для передачи сигнала на значительное расстояние лучше использовать не напря­жение, а ток, потому что он остается постоянным по длине кабеля, а напряжение па­дает из-за сопротивления кабеля. На конце кабеля токовый сигнал можно преобразо­вать в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора (рис. 8).

Рис.8. Передача аналогового сигнала по токовой петле.

При передаче токовых сигналов выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Приемник — операционный усилитель на конце цепи — в идеале должен иметь нулевой входной импеданс. Преобразователь напряжения в ток — стандартный элемент цепи. Сигнал передается по витой паре, длина которой может достигать нескольких сот метров. Шунтирующий резис­тор для преобразования тока в напряжение в диапазоне до 10 В должен иметь вели­чину порядка 500 Ом.

В действительности, им­педанс определяется шунтом и обычно имеет порядок нескольких сотен Ом. Для тока 20 мА при сопротивлении шунта 250 Ом падение напряжения будет составлять 5 В. Если источник сигнала, т. е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс, тогда любая помеха при передаче приведет к небольшому, обыч­но допустимому падению напряжения на шунте.

Токовые сигналы, как правило, используются на низких частотах до 10 Гц. При постоянном токе и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет на сиг­нал, т. е. величина тока на входе приемника — обрабатывающей схемы — такая же, как на выходе источника сигнала. При переменном токе влияние емкостного эф­фекта становится заметным и часть тока будет теряться по длине кабеля, уходя либо в обратный провод, либо в заземленный экран. Международный стандарт IEC 381 рекомендует для передачи сигналов диапазон токов 4-20 мА. Минималь­ный уровень сигнала определен как 4 мА, чтобы можно было обнаружить разрыв цепи (0 мА).

Питание и датчика, и преобразователя и передача выходного сигнала могут осу­ществляться по одной и той же паре проводов. Это можно сделать при условии, что ток, потребляемый датчиком и преобразователем, не меняется, тогда любое измене­ние тока в цепи, очевидно, отражает работу датчика. Напротив, как было сказано ра­нее, передача сигнала напряжением требует трех кабелей.

Измерительная система, использующая ток для передачи сигнала и датчик, гальванически изолированный от выходного сигнала, имеет несколько преимуществ:

- удовлетворительно работает на протяженных линиях;

-допускает простую проверку, поскольку величина тока 0 мА означает, что датчик отключен или линия разомкнута;

- обеспечивает хорошую защиту от помех;

- для системы достаточно только два провода, что позволяет снизить затраты.