3.3. Проводные каналы передачи сигналов
Каналы передачи информации по проводам состоят из источника сигнала, линии связи и приемника. Выбор перечисленных компонентов существенно влияет на помехозащищенность канала. Ниже приведены идеализированные модели источников и приемников сигнала, позволяющие понять их основные свойства.
3.3.1. Источники сигнала
Источники сигнала (например, датчики и измерительные преобразователи, передатчики физических интерфейсов, выходные каскады модулей вывода и др.) могут быть незаземленными (рис. 3.74-а), заземленными (рис. 3.74-б) и балансными (парафазными) (рис. 3.74-в, -г).
|
|
|
|
|
| а) |
б) |
в) |
г) |
|
Рис. 3.74. Плавающий (а), заземленный (б) и балансный (в, г) источники напряжения сигнала
|
Примерами незаземленных ("плавающих") источников сигнала являются батарейки, источники сигнала с батарейным питанием, термопары, трансформаторы, изолированные операционные усилители, изолирующие DC-DC преобразователи. Сигналом в этих случаях является разность потенциалов между выводами источника ( ). Потенциал выводов относительно земли  является паразитным (синфазной помехой), поскольку не участвует в передаче информации от источника в линию связи.
У заземленного источника сигнала один из выводов заземлен (рис. 3.74, б) и напряжение второго вывода измеряется относительно земли. Заземленный источник можно получить из плавающего, если один из его выводов заземлить. Однако получить плавающий источник достаточно сложно, поскольку сам принцип построения датчика или схемы преобразования измеряемой физической величины в напряжение часто не позволяют этого сделать. Поэтому плавающие источники конструктивно и схемотехнически часто сложнее, чем заземленные.
Балансный источник напряжения (рис. 3.74, в) представляет собой комбинацию из двух источников напряжения, работающих синхронно. Сигналы источников симметричны ("сбалансированы") относительно некоторого уровня напряжения (рис. 3.75): если на выходе одного источника высокий уровень, то на другом - низкий, и наоборот. Размах напряжения между клеммами источника равен удвоенной разности напряжений  (Klimchynski). Синфазное напряжение  .
Балансный источник напряжения можно представить эквивалентной цепью, показанной на рис. 3.74-г), где  ,  . Эта цепь более наглядно показывает смысл термина "балансный источник": напряжения на его клеммах симметричны относительно напряжения источника  . Примером балансных источников напряжения могут быть выходные каскады передатчиков интерфейса RS-485.
|
|
|
Рис. 3.75. Осциллограммы напряжений на выходах балансного источника напряжения
|
Источники сигнала могут быть не только источниками напряжения, но и источниками тока (рис. 3.76). Источники тока также могут быть заземленными или плавающими. Балансный источник тока, в котором токи обоих выводов равны и противоположно направлены (рис. 3.76-в), полностью эквивалентен незаземленному источнику (рис. 3.76-б), поскольку разность одинаковых токов равна нулю. Примерами источников тока могут быть источники стандартного сигнала 0-20 мА, 4-20 мА, источники тока интерфейсов "токовая петля" и HART.
|
|
|
|
|
а)
|
б) |
в) |
|
Рис. 3.76. Заземленный (а), плавающий (б) и балансный (б) источник тока
|
Особо можно отметить источник сигнала интерфейса CAN, который в режиме передачи доминантного состояния (логической единицы) является балансным источником напряжения, а при передачи рецессивного состояния (логического нуля) является источником тока нулевой величины. Модель источника содержит ключи (рис. 3.77) для переключения между режимами источника напряжение и тока. Для обнаружения нулевого тока в такой цепи принципиально необходимо наличие сопротивления  , в противном случае при размыкании ключа напряжение между клеммами источника становится неопределенным.
 |
|
Рис. 3.77. Источник сигнала с переключением
ток/напряжение (например, CAN-интерфейса)
|
3.3.2. Приемники сигнала
Приемник сигнала (например, система сбора данных) может принимать (измерять) напряжение относительно «земли» (рис.3.78, а) или относительно потенциала на втором своем входе (рис.3.78, б). В первом случае приемник сигнала называется приемником с одиночным (недифференциальным) входом (рис. 3.78, а), во втором случае - дифференциальным приемником сигнала (рис. 3.78, б). Аналогичные разновидности существуют для приема тока (рис. 3.79).
Дифференциальный приемник сигнала измеряет разность потенциалов между двумя проводниками. Потенциалы отсчитываются относительно общего провода приемника (относительно земли приемника). Таким образом, дифференциальный приемник сигнала имеет три входных зажима: два сигнальных и один общий (земляной). Важно отметить, что для анализа помех земля источника и приемника сигнала в общем случае должны рассматриваться как разные земли, поскольку они имеют разные потенциалы в абсолютной системе отсчета потенциалов и в дальнейшем на схемах будут обозначаться разными условными обозначениями.
Дифференциальные приемники могут быть двух типов: построенные на основе незаземленного (плавающего) источника питания (рис. 3.78, в) или на основе схемы вычитателя, позволяющего вычислить разность напряжений между двумя узлами электрической цепи после измерения каждого напряжения относительно земли. Примерами приемников первого типа являются тестер или малогабаритный осциллограф с батарейным питанием, которые могут измерять дифференциальный сигнал, не имея связи с землей. Примерами дифференциальных приемников на основе вычитателя являются цепи, построенные на базе инструментального дифференциального усилителя с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала.
Особенностью дифференциальных приемников на основе незаземленного источника питания является теоретически бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала, поскольку сигнал  (рис. 3.78, в) на выход усилителя не проникает. Его недостатком является асимметрия входов относительно земли: емкости на землю входа, соединенного с незаземленным источником питания, всегда больше, чем емкость входа усилителя. Асимметрия приемника играет существенную роль в балансных цепях передачи сигнала, в которых степень асимметрии определяет качество подавления принимаемых и излучаемых помех.
Основным параметром дифференциальных приемников является коэффициент ослабления синфазного сигнала  . В реальных приемниках наряду с дифференциальным сигналом на выход попадает и ослабленный синфазный сигнал. Коэффициент передачи синфазного сигнала меньше, чем дифференциального в некоторое число раз, которое называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала . Коэффициент ослабления синфазного сигнала зависит от частоты. Наибольший интерес для систем промышленной автоматизации представляет коэффициент подавления синфазного сигнала с частотой 50 Гц, который характеризует чувствительность приемника к электромагнитной наводке из электрической сети 220/380 В.
Напряжение на выходе дифференциального приемника сигнала  можно записать в виде:
 , |
(3.3)
|
где  - синфазное напряжение,  - дифференциальный коэффициент усиления.
|
а)
|
б)
|
в)
|
|
Рис. 3.78. Приемники напряжения сигнала: однополярный (а), дифференциальный (б) и с плавающим источником питания (в)
|
|
а)
|
б)
|
в)
|
|
Рис. 3.79. Приемники токового сигнала: однополярный (а), плавающий (б) и балансный (в)
|
Следует отметить, что дифференциальный приемник (рис. 3.78, б) не может быть получен с помощью двух одиночных приемников сигнала путем простого вычитания напряжений на их выходах (рис. 3.80), например, путем вычитания двух величин, предварительно введенных в компьютер (контроллер) с помощью устройства ввода. Рассмотрим два усилителя с одиночным входом, например, два канала из многоканального устройства ввода с одиночными (недифференциальными) входами (рис. 3.80). Пройдя через усилитель (систему аналогового ввода), напряжение  появляется на его выходе в виде  , где  - мультипликативная погрешность первого канала, - коэффициент усиления устройства ввода. Аналогично, для второго канала получим  . Предположим, что требуется выделить дифференциальный сигнал как разность напряжений  . В идеальном случае, когда  , получим, как и требуется,
 . |
(3.4)
|
В реальном случае мультипликативная погрешность не равна нулю и включает в себя погрешность коэффициента усиления, напряжение смещения нуля, погрешность аналого-цифрового преобразования, шумы электронных приборов, электромагнитные и кондуктивные помехи, погрешность методов сглаживания данных в компьютере, то есть весь спектр погрешностей от источника сигнала до вычитателя. Поэтому в наихудшем случае, когда погрешности величин, введенных по двум каналам, равны между собой по модулю  и противоположны по знаку, получим  ,  и тогда
Используя понятия дифференциального  и синфазного сигнала, выражение (3.5) можно переписать в виде
 . |
(3.6)
|
Поскольку первый член в (3.6) представляет собой уравнение идеального вычитателя, второй член уравнения представляет абсолютную аддитивную погрешность реального вычитателя. Поэтому относительная погрешность, обусловленная описанным выше эффектом, будет равна
Отметим, что в рассмотренном случае мы предполагали, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности и поэтому он не входит в формулу (3.6).
При измерении малых дифференциальных напряжений (например, сигналов термопар) и при большом синфазном сигнале отношение  может достигать нескольких порядков, в такое же число раз возрастает погрешность  . Описанная проблема является общей для многих приложений и ее иногда называют "проблемой малых разностей". Для ее решения нужно снижать величину  , что возможно только при использовании дифференциальных усилителей, которые вычитают сигналы как можно ближе к их источнику. Поэтому операцию вычитания необходимо делать до аналого-цифрового преобразования и без разделения во времени моментов захвата значений входного сигнала на обоих входах, чтобы мгновенные значения напряжения помех (или реализаций случайных процессов) для обоих входов дифференциального усилителя были одинаковы.
|
|
|
Рис. 3.80. Иллюстрация того, как нельзя строить усилители с дифференциальным входом
|
Рассмотрим пример. Предположим, что требуется получить дифференциальный сигнал с разрешающей способностью 12 бит и с отношением сигнал/погрешность, равным 4096. Предположим также, что погрешность полностью определяется синфазной помехой, т.е. для получения заданной разрешающей способности погрешность = 1/4096. Если при этом напряжение синфазной помехи в 10 раз больше напряжения дифференциального сигнала, то есть =10, то из формулы (3.7) следует, что погрешность усилителей должна быть равна  = = =1/81920, что может быть получено только с помощью 17-разрядного АЦП.
Иными словами, при синфазном сигнале, превышающем в 10 раз дифференциальный сигнал, для получения разрешающей способности 12 бит каждый из сигналов должен быть получен с разрешающей способностью не хуже 17 бит. Поэтому во всех случаях, когда измеряется разность двух напряжений, желательно измерять потенциал относительно  , а не относительно "земли", чтобы отношение было минимальным.
Из изложенного выше следует, что нельзя использовать устройства ввода с одиночным входом для измерения дифференциальных сигналов путем поочередного измерения двух напряжений и последующего вычисления разности в контроллере.
Идея снижения уровня помех путем их вычитания лежит в основе построения балансных цепей передачи сигнала (см. описание интерфейса RS-485). Для обеспечения равенства мгновенных значений напряжения помехи на обоих входах дифференциального усилителя приемника должны быть идентичны не только входы приемника, но и линии передачи, а также выходные каскады передатчика. Это возможно при использовании витой пары проводов и балансного источника напряжения.
3.3.3. Прием сигнала заземленного источника
Рассмотрим, что происходит, когда напряжение заземленного источника сигнала  (рис. 3.81) измеряется (принимается) с помощью заземленного приемника. Поскольку "земли" источника и приемника сигнала пространственно разнесены, они имеют разный потенциал и обозначены на рис. 3.81 по-разному. Разность потенциалов между ними равна  . Поэтому напряжение  , приложенное ко входу приемника, оказывается равным сумме напряжений источника сигнала и разности потенциалов между двумя "землями": =+. Таким образом, результат измерения, выполненного описанным способом, будет содержать погрешность величиной . Эта погрешность может находиться в допустимых пределах, если источник сигнала и приемник расположены недалеко друг от друга, или если напряжение сигнала имеет большую величину (например, предварительно усилено).
Ситуация может быть существенно улучшена, если "земляной" провод источника и приемника сигнала соединить медным проводником с низким сопротивлением (рис. 3.82). Однако это не устраняет паразитное напряжение полностью, поскольку ток, возникающий вследствие разности потенциалов "земель", теперь будет течь по соединяющему их проводнику. Как правило, основной компонентой тока является помеха с частотой 50 Гц, но значительную роль играет и э.д.с., наведенная высокочастотными электромагнитными полями. В последнем случае индуктивность проводника играет значительную роль и устранить ее без применения дифференциального приемника практически невозможно.
 |
 |
 |
|
Рис. 3.81. "Земля" имеет разные потенциалы в разных точках
|
Рис. 3.82. Проводник, соединяющий "земли" источника и приемника сигнала, имеет ненулевое сопротивление
|
Рис. 3.83. Измерение сигнала заземленного источника с помощью дифференциального приемника |
Наиболее точная цепь для измерения сигнала заземленного источника показана на рис. 3.83. Она содержит дифференциальный приемник, который ослабляет синфазное напряжение помехи в  раз.
Следует отметить, что в цепи на рис. 3.83 нельзя соединять один из входов с "землей" приемника, поскольку при этом фактически получается схема с одиночным входом (рис. 3.82) со всеми ее недостатками.
3.3.4. Прием сигнала незаземленных источников
Напряжение плавающих источников сигнала может быть достаточно точно измерено приемником как с одиночным, так и с дифференциальным входом. Однако при использовании дифференциального входа нужно следить за тем, чтобы величина синфазного сигнала не вышла за границы диапазона работоспособности приемника. Сопротивление между любым из дифференциальных входов и "землей" очень велико, поэтому даже маленький ток помехи может создать на нем падение напряжения более 10 Вольт, что переведет типовой приемник сигнала в режим насыщения. Ток помехи в этом случае может состоять из входных токов смещения самого дифференциального приемника и тока паразитной емкостной и кондуктивной связи с источником помехи.
Для уменьшения этого эффекта входы дифференциального приемника можно соединить с землей сопротивлениями  и  (рис. 3.84). Если внутреннее сопротивление источника сигнала велико, то резисторы выбирают с одинаковым сопротивлением. При низком сопротивлении источника (как, например, у термопар), разница сопротивлений не играет роли и можно использовать одно из них вместо двух. Если источник сигнала соединен с приемником через развязывающие конденсаторы, когда приемник оказывается отключен от источника по постоянному току, то величины резисторов должны быть строго одинаковы. В балансных цепях передачи сигнала эти резисторы улучшают симметрию дифференциальной пары проводов и улучшают эффект компенсации синфазной помехи.
Сопротивление резисторов на рис. 3.84 выбирается как можно меньшим, чтобы снизить величину синфазного сигнала, однако оно должно быть много больше внутреннего сопротивления источника сигнала, чтобы не вносить погрешность в результат измерения. При использовании термопар типовая величина сопротивлений лежит в диапазоне 10КОм...100КОм. Еще более ослабить высокочастотную синфазную помеху можно, включив параллельно резисторам конденсаторы.
|
|
|
Рис. 3.84. Устранение насыщения дифференциального приемника с помощью резисторов
|
Дифференциальные приемники сигнала всегда дают более высокую помехозащищенность по сравнению с приемниками с одиночным входом, однако они требуют больше соединительных проводов и технически сложнее. Поэтому выбор между дифференциальным или одиночным входом может быть сделан только при рассмотрении конкретных условий применения и требований к системе. Промышленные приемники выпускаются как с дифференциальными, так и одиночными входами. Например, модуль ввода аналоговых сигналов NL-8AI фирмы RealLab! (подробнее см. pdf 1,2 Мб и [Денисенко]) позволяет программно устанавливать конфигурацию с 16 одиночными или 8 дифференциальными входами.
Нами было проделано экспериментальное сравнение величины помех для приемников с одиночным и дифференциальным входом. В качестве источника сигнала был выбран терморезистор сопротивлением 20 КОм, соединенный витой парой длиной 5 метров с приемником. В качестве дифференциального приемника был использован инструментальный усилитель RL-4DA200 и система сбора данных RL-8AI серии RealLab!. Переход от одиночного включения к дифференциальному в данном случае уменьшает среднеквадратическое значение напряжения помехи в 136 раз [Денисенко]. Это объясняется тем, что усилитель с одиночным входом воспринимает без ослабления помеху, которая была ослаблена в дифференциальном усилителе благодаря его коэффициенту подавления синфазного сигнала.
В первом приближении можно сказать, что приемники с одиночным входом могут быть использованы, если источник и приемник сигналов разнесены на небольшое расстояние (до единиц метров), если сигнал источника предварительно усилен или имеет большую величину (более 1 В) и если земляные выводы источника и приемника соединены в одной точке коротким проводником с низким сопротивлением. Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, следует использовать приемники с дифференциальным входом.
3.3.5. Дифференциальные каналы передачи сигнала
Кардинальным средством устранения индуктивных и емкостных связей является применение источников сигнала с дифференциальным токовым выходом и приемников с низкоомным (токовым) дифференциальным входом (рис. 3.85). Токи источников тока на рис. 3.85 строго равны между собой и противоположно направлены. Индуктивная наводка здесь мала, поскольку информация передается в форме тока, а емкостная наводка мала, поскольку при хорошей симметрии линии передачи она является синфазной и подавляется входным дифференциальным приемником. Такой принцип передачи сигнала используется в интерфейсе "Токовая петля".
Токовый дифференциальный канал
Для получения высокого качества передачи сигнальные провода должны быть экранированы и выполнены в виде витой пары, чтобы обеспечить лучшую согласованность их продольных импедансов и импеданса на "землю". Различие в длине проводов и в частотных характеристиках их импедансов могут быть причиной появления помехи на высоких частотах.
Для получения высокой степени согласованности линий в витой паре лучше использовать провода, специально изготовленные и аттестованные для инструментальных индустриальных применений. Использование двух витых пар вместо одной, соединенных параллельно, позволяет снизить продольный импеданс проводов и повысить точность передачи сигнала.
Примером реализации дифференциального способа передачи токового сигнала может служить пара дифференциального токового передатчика SSM2142 и дифференциального приемника SSM2141 (Analog Devices), которые имеют коэффициент ослабления синфазного сигнала 100 дБ на частоте 60 Гц, и работают на нагрузку 600 Ом, создавая на ней максимальное падение напряжения 10В.
Для предотвращения насыщения выходных каскадов источников тока разностью токов  , которая возникает вследствие технологического разброса параметров, можно использовать способ, аналогичный представленному на рис. 3.84. Однако резисторы в данном случае должны быть соединены с "землей" источника сигнала.
Недостатком токовых каналов передачи информации является то, что в соответствии с выражением (3.9) при бесконечно большом сопротивлении источника и приемника сигнала (относительно земли) напряжение емкостной наводки является максимальным. Применение резисторов для отвода тока помехи на землю (рис. 3.84) улучшает ситуацию, однако эти резисторы не могут быть выбраны очень малыми, поскольку при этом увеличивается влияние их рассогласования на погрешность передачи тока. Вторым недостатком является низкое быстродействие, ограниченное временем заряда емкости кабеля малым током источников  .
|
|
|
Рис. 3.85. Дифференциальный источник и приемник тока - наилучшее решение проблемы качественной передачи сигнала
|
Балансный канал
Наиболее совершенной на настоящий момент системой передачи сигналов является балансная цепь, реализованная в интерфейсах RS-485 и CAN (рис. 3.86). В ее основе лежат следующие принципы:
- применение балансного источника сигнала;
- применение витой пары с идентичными характеристиками проводов;
- применение дифференциального приемника сигнала;
- передача мощности (а не тока или напряжения).
Идея, положенная в основу балансного канала передачи электрических сигналов, состоит в компенсации индуктивных и емкостных наводок и в ослаблении кондуктивных. Для обеспечения хорошей компенсации помех в дифференциальном приемнике сигнала они должны быть одинаковы на обоих входах дифференциального усилителя. Для этого:
- источник сигнала должен иметь идентичные выходные сопротивления по обоим выходам как на постоянном токе, так и во всем диапазоне частот передаваемых сигналов;
- линия связи (витая пара, лучше экранированная) должна иметь одинаковые для обоих проводов пары продольные сопротивление и индуктивность (для идентичности индуктивных наводок);
- витая пара должна иметь одинаковые емкости на землю для обоих проводов пары (для идентичности емкостных наводок);
- дифференциальный приемник должен иметь одинаковые частотные характеристики по обоим входам и высокую точность операции вычитания.
Для хорошей компенсации помех дифференциальный приемник должен иметь строго одинаковые коэффициенты передачи по обеим каналам и высокую точность операции вычитания (см. выше). Для подавления синфазной помехи приемник должен иметь большой коэффициент подавления синфазного сигнала. Помехоустойчивость канала улучшается также благодаря тому, что балансный передатчик позволяет повысить в 2 раза размах передаваемого сигнала (см. рис. 3.75).
Перечисленные принципы успешно реализованы в интерфейсе RS-485, чем и объясняется его высокая популярность.
Интерфейс CAN отличается от RS-485 тем, что рецессивное состояние в нем реализовано с помощью транзисторного ключа, который отключает линию связи от передатчика. При этом внутреннее сопротивление источника скачком изменяется от низкого на бесконечно большое, т.е. передатчик переходит в режим передачи тока нулевой величины. Поэтому при передаче логической единицы (доминантного состояния) передатчик является источником напряжения и подвержен влиянию преимущественно индуктивных наводок, а при передаче логического нуля (рецессивного состояния) более подвержен влиянию емкостных наводок.
|
|
|
Рис. 3.86. Балансная схема передачи дифференциального сигнала
|
|
= 
-
=
.
=
.
