УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ ОТ ДАТЧИКОВ ПО ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ
DEVICE FOR TRANSMITTING ANALOGUE SIGNALS FROM SENSORS ALONG A TWO-WIRE LINE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам сбора и передачи данных и может быть использовано для подключения датчиков различных динамических сигналов: ускорения, скорости, динамических перемещений, пульсаций давления, силы, акустических величин и т.п.к модулям сбора данных в системах SCADA и IIoT (промышленного интернета вещей) с учетом минимизации количества проводов в линиях связи, количества контактов в соединителях, что повышает надежность, позволяет упростить прокладку линий передачи данных и уменьшить габариты за счет снижения количества контактов в соединителях на нижнем уровне подобных систем.
Передача сигналов и питания по одному проводу в двухпроводных устройствах получила широкое распространение, например при использовании интерфейсов типа IEPE - Integrated Electronics Piezo Electric, LIVM - Low Impedance Voltage Mode, ICP - Integrated Circuit Piezoelectric, Isotron, DeltaTron, Piezotron, а также CCLD - Constant Current Line Drive. Особенность датчиков перечисленных типов состоит в том, что регулируемый элемент встроенного интерфейса такого датчика представляет собой по существу эквивалент сопротивления, управляемого сигналом от первичного измерительного преобразователя. В простейшем случае в качестве такого элемента используется полевой транзистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряжения или заряда на его затворе [Патент US Re28596, НКИ 310/8.1, МКИ H01V 7/00, 1975], [Патент US 4816713, НКИ 310/319, МКИ H01L 41/08, 1989], а также [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. См.: Fig. 1.12 p. 23, Fig. 1.26 p. 29, Fig 3.1 p. 60, Fig 3.5 p. 66, Fig 7.1 p. 119, Fig. 8.1, p. 137, Fig. 9.1 p. 153, Fig. 9.4 p. 156, Fig. 9.7 p. 159 и Fig. 9.10 p. 161]. В таких решениях, находящих широкое применение в настоящее время, возможности преобразования относительно слабого сигнала от первичного измерительного преобразователя весьма ограничены, причем практически весь ток от питающего датчик источника тока поступает в регулируемый элемент - управляемый резистор. Это ограничивает область возможных применений таких решений и ведет к необходимости использования источников питания относительно большой напряжения.
В случае использования встроенного преобразования сигнала от первичного измерительного элемента, например усиления, фильтрации и т.п., такой сигнал предварительно проходит через усиливающие элементы, питание которых выполняется от питающего датчик источника тока по двухпроводной линии и, в зависимости от исполнения, выходной сигнал усиливающих элементов используется для изменения тока в выходных элементах [Патент US 5477735, НКИ 73/654, МКИ G01H 11/06, 1995] и [Патент US 5792956, НКИ 73/660, МКИ G01P 7/00, 1995].
Таким образом, в этом случае значительная часть от величины тока источника постоянного тока питающего датчик может расходоваться на питание усиливающих элементов. Эта часть не может быть большой, поскольку она может меняться в зависимости от сигнала и вносить нелинейные искажения в изменения эквивалентного выходного сопротивления. Это ограничивает область возможных применений таких решений.
Возможны также решения с питанием усиливающих элементов от независимой цепи источника питания [Levinzon, Felix. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer International Publishing Switzerland, 2015. - 170 p. см.: Fig. 1.23 p. 25 и Fig. 3.2 p. 62], но в этом случае питание и передача сигнала должна осуществляться по трехпроводной линии, т.е. теряется важное преимущество простого и дешевого двухпроводного интерфейса с малым количеством проводов, соединительных элементов и увеличивается сложность монтажа, стоимость кабелей, снижается надежность.
Предлагаемое решение позволяет практически весь ток от источника тока, питающего датчик, использовать в нем для питания усиливающих и преобразующих согласующих элементов, осуществляя при этом передачу, как сигнала, так и питания по одному проводу и не использовать на выходе передающего элемента датчика элементы, сопротивление которых зависит от сигнала с выхода первичного измерительного преобразователя или их эквиваленты.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов по двухпроводной линии содержащее передатчик сигнала, приемник сигнала и двухпроводную линию, начальный контакт первого провода которой соединен через первый конденсатор с первым выводом передатчика сигнала, конечный контакт первого провода двухпроводной линии через второй конденсатор соединен с первым входом приемника [Патент US 4083241, НКИ 73/194, МКИ G01F 1/32, 1978].
Недостатком этого устройства является ограниченный динамический диапазон передаваемых сигналов, которые должны быть существенно ниже напряжения питания.
Известно устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала приемника [Патент US 9939315 В2, МКИ G01H 11/08, 10.04.2018].
Недостатком этого устройства является использование напряжения сигнала с провода сигнал-питание двухпроводной линии непосредственно для питания усилительных элементов передатчика сигналов, что вызывает нелинейные искажения передаваемого сигнала, а даже кратковременные снижения напряжения на этом проводе могут полностью исказить передаваемую информацию, если они станут ниже допустимого минимума напряжения питания усилительных элементов передатчика сигнала, что ведет к низкой достоверности функционирования устройства.
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора [Патент US 4939455, НКИ 324/168, МКИ G01P 3/488, 1990].
Недостатками известного устройства являются относительно низкая достоверность функционирования и ограниченная область применения. Это связано с значительными изменениями напряжения на проводе сигнал-питание двухпроводной линии, которые передаются на элементы встроенной электроники передатчика сигнала при передачи сигналов относительно высокого размаха, что вызывает необходимость использования дополнительного встроенного источника питания в передатчике сигнала, а также может вызывать искажения передаваемого сигнала из-за непостоянства питания элементов электроники передатчика сигнала.
Целью предполагаемого изобретения является повышение достоверности функционирования и расширение области применения устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержащее приемник сигнала, генератор тока, вход которого соединен с шиной питания приемника сигнала, выход генератора тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии, который соединен с входным контактом приемника сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии, окончание которого соединено с общим контактом передатчика сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора, окончание провода сигнал-питание двухпроводной линии соединено через конденсатор с выходом сигнала передатчика сигнала, а также через индуктивность с входом питания передатчика сигналов, который соединен с катодом стабилизатора.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии в качестве стабилизатора использован стабилитрон или шунтирующий стабилизатор напряжения.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии в приемнике сигналов вход сигнала через разделительный конденсатор соединен с входом усилителя.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии передатчик сигнала содержит микроэлектронный датчик, общий вывод, вывод питания и аналоговый выход которого являются соответственно общим контактом передатчика сигнала, входом питания передатчика сигнала и выходом сигнала передатчика сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии передатчик сигнала содержит микроэлектронный датчик, общий вывод и аналоговый выход которого являются соответственно общим контактом передатчика сигнала и выходом сигнала передатчика сигнала, вход питания которого соединен с входом стабилизатора напряжения, выход которого соединен с входом питания микроэлектронного датчика, а вход и выход стабилизатора напряжения соединены через первый и второй вспомогательные конденсаторы с общим контактом передатчика сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии передатчик сигнала содержит пьезоэлектрический датчик, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика сигнала и затвором полевого транзистора, сток которого соединен с общим контактом передатчика сигнала, исток полевого транзистора является выходом сигнала передатчика сигнала и соединен с входом питания передатчика сигнала через вспомогательный резистор.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии передатчик сигнала содержит пьезоэлектрический датчик, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика сигнала и затвором транзистора, сток которого соединен с общим контактом передатчика сигнала, исток транзистора является выходом сигнала передатчика сигнала и соединен с входом питания передатчика сигнала через вспомогательный резистор и через дополнительный конденсатор с затвором транзистора, который через дополнительный резистор соединен с общим контактом передатчика сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии транзистор выполнен составным и содержит МДП транзистор, затвор которого является затвором составного транзистора, исток МДП транзистора соединен с его подложкой и коллектором n-р-n транзистора, который является истоком составного транзистора, сток которого соединен с эмиттером n-р-n транзистора, который через режимный резистор соединен с его базой и стоком МДП транзистора.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии передатчик сигнала содержит пьезоэлектрический датчик, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика сигнала и инвертирующим входом операционного усилителя, входы питания которого соединены соответственно с общим контактом передатчика сигнала и его входом питания, которые через соответственно первый и второй задающие резисторы соединены с прямым входом операционного усилителя, выход которого является выходом сигнала передатчика сигнала, который через дополнительный конденсатор и третий задающий резистор соединены с инверсным входом операционного усилителя.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии приемник сигнала содержит дифференциальный усилитель, первый вход которого является входным контактом приемника сигнала, а второй вход дифференциального усилителя соединен с шиной регулируемого напряжения.
Изобретение поясняется чертежами, показанными на фиг. 1-9.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии.
На фиг. 2 приведена амплитудно-частотная характеристика устройства для передачи аналоговых сигналов от датчика по двухпроводной линии.
На фиг. 3 представлена структурная схема устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков типа МЭМС (MEMs) по двухпроводной линии с другим исполнением схемы передатчика сигнала.
На фиг. 4 представлена структурная схема устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков с первичным измерительным преобразователем пьезоэлектрического типа по двухпроводной линии с другим исполнением схемы передатчика сигнала.
На фиг. 5 представлена структурная схема устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков с первичным измерительным преобразователем пьезоэлектрического типа по двухпроводной линии с другим исполнением схемы передатчика сигнала.
На фиг. 6 представлена структурная схема устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков с первичным измерительным преобразователем пьезоэлектрического типа по двухпроводной линии с другим исполнением схемы передатчика сигнала с применением усилителя заряда на операционном усилителе.
На фиг. 7 приведен вариант другого выполнения структурной схемы приемника сигнала.
На фиг. 8 приведен вариант другого выполнения структурной схемы приемника сигнала.
На фиг. 9 приведен пример передачи сигнала большой амплитуды с применением устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии.
Устройство для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии содержит приемник 1 сигнала, генератор тока 2, вход которого соединен с шиной питания приемника 1 сигнала, выход генератора 2 тока соединен с началом провода сигнал-питание двухпроводной линии 3, который соединен с входным контактом приемника 1 сигнала, общий контакт которого соединен с началом общего провода двухпроводной линии 3, окончание которого соединено с общим контактом передатчика 4 сигнала, этот контакт соединен с анодом стабилизатора 5, окончание провода сигнал-питание двухпроводной линии 3 соединено через конденсатор 6 с выходом сигнала передатчика 4 сигнала, а также через индуктивность 7 с входом питания передатчика 4 сигналов, который соединен с катодом стабилизатора 5.
В качестве стабилизатора 5 использован стабилитрон или шунтирующий стабилизатор напряжения.
В приемнике 1 сигналов вход сигнала через разделительный конденсатор 8 соединен с входом усилителя 9, а шина питания приемника 1 сигнала соединена с источником 10, который соединен с общим контактом приемника 1 сигналов.
Передатчик 4 сигнала содержит микроэлектронный датчик (МЭМС) 11, общий вывод, вывод питания и аналоговый выход которого являются соответственно общим контактом передатчика 4 сигнала, входом питания передатчика 4 сигнала и выходом сигнала передатчика 4 сигнала.
Передатчик 4 сигнала может быть выполнен как показано на фиг. 3 и содержит микроэлектронный датчик 11, общий вывод и аналоговый выход которого являются соответственно общим контактом передатчика 4 сигнала и выходом сигнала передатчика 4 сигнала, вход питания которого соединен с входом стабилизатора напряжения 12, выход которого соединен с входом питания микроэлектронного датчика 11, а вход и выход стабилизатора напряжения 12 соединены через первый 13 и второй 14 вспомогательные конденсаторы с общим контактом передатчика 4 сигнала.
Передатчик 4 сигнала, как показано на фиг. 4 может содержать пьезоэлектрический датчик 15, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика 4 сигнала и затвором полевого транзистора 16, сток которого соединен с общим контактом передатчика 4 сигнала, исток полевого транзистора 16 является выходом сигнала передатчика 4 сигнала и соединен с входом питания передатчика 4 сигнала через вспомогательный резистор 17.
Передатчик 4 сигнала, как показано на фиг. 5, может содержать пьезоэлектрический датчик 15, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика 4 сигнала и затвором транзистора 18, сток которого соединен с общим контактом передатчика 4 сигнала, исток транзистора 18 является выходом сигнала передатчика 4 сигнала и соединен с входом питания передатчика 4 сигнала через вспомогательный резистор 19 и через дополнительный конденсатор 20 с затвором транзистора 18, который через дополнительный резистор 21 соединен с общим контактом передатчика 4 сигнала.
Транзистор 18 может быть выполнен составным и содержит МДП транзистор 22, затвор которого является затвором составного транзистора 18, исток МДП транзистора 22 соединен с его подложкой и коллектором п-р-п транзистора 23, который является истоком составного транзистора 18, сток которого соединен с эмиттером п-р-п транзистора 23, который через режимный резистор 24 соединен с его базой и стоком МДП транзистора 22.
Передатчик 4 сигнала, как показано на фиг. 6, может содержать пьезоэлектрический датчик 15, первый и второй выводы которого соединены соответственно с общим контактом передатчика 4 сигнала и инвертирующим входом операционного усилителя 25, входы питания которого соединены соответственно с общим контактом передатчика 4 сигнала и его входом питания, которые через соответственно первый 26 и второй 27 задающие резисторы соединены с прямым входом операционного усилителя 25, выход которого является выходом сигнала передатчика 4 сигнала, который через дополнительный конденсатор 20 и третий задающий резистор 28 соединены с инверсным входом операционного усилителя 25.
Приемник 1 сигнала содержит, как показано на фиг. 7, дифференциальный усилитель 29, первый вход которого является входным контактом приемника 1 сигнала, а второй вход дифференциального усилителя 29 соединен с шиной 30 регулируемого напряжения.
Шина регулируемого напряжения 30 может быть запитана от переменного резистора 31, как показано на фиг. 7, или выходным сигналом цифро-аналогового преобразователя 32, как показано на фиг. 8.
Устройство работает следующим образом.
Генератор тока 2, запитанный от шины питания приемника 1 формирует ток питания, который передается по проводу сигнал-питание двухпроводной линии 3 к передатчику 4 сигнала. Этот ток используется для питания электронных компонент передатчика 4. Как показано на фиг. 1 этот ток проходит через индуктивность 7 и поступает на катод стабилитрона 5, который обеспечивает формирование стабильного напряжения питания электронных компонент передатчика 4. Если в качестве первичного измерительного преобразователя используется микроэлектронный датчик 11, он запитан таким стабильным напряжением и обеспечивает на своем выходе формирование динамического сигнала, соответствующего величине внешнего воздействия, например вибрации. С выхода микроэлектронного датчика 11 сигнал переменного напряжения поступает через конденсатор 6 на провод сигнал-питание двухпроводной линии 3. Это переменное напряжение поступает на вход приемника 1. Поскольку ток питания проходит через индуктивность 7, эта индуктивность ограничивает пропускание быстрых изменений напряжения на проводе сигнал-питание, которые не оказывают существенного влияние на стабильность напряжения питания, формируемого на стабилизаторе 5. Величина тока через стабилизатор 5 ограничивается внутренним сопротивлением г индуктивности 7. Эта же индуктивность 7 ограничивает возможность нагрузки выходного динамического сигнала передатчика 4. Типовая амплитудно-частотная характеристика, характеризующая разделение переменной и постоянной составляющих, передаваемых по проводу сигнал-питание представлена на фиг. 2. Конденсатор 6 исключает попадание постоянной составляющей на выход микроэлектронного датчика 11.
Увеличить стабильность питания элементов в передатчике 4 можно использованием стабилизатора напряжений 12, на входе и выходе которого использованы конденсаторы 13 и 14, как показано на фиг. 3.
При использование пьезоэлектрического датчика 15, как показано на фиг. 4 в качестве согласующего элемента используется полевой транзистор 16, стабилизированное питание которого обеспечивается через резистор 17 со стабилитрона 5. В остальном работа этого варианта исполнения аналогична, показанному на фиг. 1.
Выходной сигнал передатчика, как показано на фиг. 5, может быть подан на пьезоэлектрический датчик 15 через конденсатор 20, что обеспечивает работу передатчика в режиме зарядового усилителя, коэффициент передачи которого определяется емкостью конденсатора 20. Это позволяет повысить стабильность коэффициента преобразования.
Аналогичный режим преобразования зарядового сигнала от пьезоэлектрического датчика 15 может быть реализован и в схеме представленной на фиг. 6 с использованием электронных компонент отличающихся от показанных на фиг. 5.
Устранить влияние постоянной составляющей, присутствующей на проводе сигнал-питание можно с использованием сигнала компенсации ее влияния показанной на фиг. 7. Компенсирующее напряжение формируется с использованием переменного резистора 31.
Аналогичное решение может быть обеспечено при использовании для формирования компенсирующего напряжения вместо переменного резистора цифро-аналогового преобразователя 32, как показано на фиг. 8.
Использование решений показанных на фиг. 7 и 8 позволяет сохранить в выходном сигнале U информацию об уровне постоянного смещения на проводе сигнал-питание, что может быть использовано для диагностики исправности работы устройства и отсутствия замыканий и обрывов двухпроводной линии 3. Компенсация этой составляющей позволяет не ограничивать динамические сигналы.
На фиг. 9 приведен пример передаваемого динамического синусоидального сигнала.
При реализации для получения малых значений нижней граничной частоты пропускания в устройстве для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии необходимо применение индуктивностей относительно большой величины. Примерами таких индуктивностей, обеспечивающих практическую применимость устройства для передачи аналоговых сигналов от датчиков по двухпроводной линии, являются, например, индуктивности типов BSS105 или BSL105 (производства Wilco Corporation) номиналом 1 Генри. Внутреннее активное сопротивление г таких индуктивностей, используемое в качестве ограничивающего ток через них элемента эквивалентной схемы индуктивности, как это указано в описании работы устройства, составляет соответственно 410 и 75 Ом. В зависимости от заданного значения нижней граничной частоты пропускания возможно использование и других аналогичных индуктивностей.
Предлагаемое решение обеспечивает работу передатчика 4 при стабильном напряжении питания и с эффективным разделением постоянной составляющей, используемой для питания, и переменной, используемой для передачи информации о динамических процессах, фиксируемых датчиком. Постоянная составляющая при этом практически полностью используется именно для питания, что позволяет снизить общее потребление мощности устройством, реализующим такой интерфейс передачи сигналов, уменьшив нелинейные искажения и обеспечить работу с датчиками различного типа. Это увеличивает достоверность функционирования и расширяет возможную область применения устройства.