СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ОТ ДАТЧИКОВ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ ПО ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM FOR SIGNAL TRANSMISSION FROM SENSORS WITH ANALOGUE OUTPUT VIA A TWO-WIRELESS LINE (OPTIONS)

Предлагаемое изобретение относится к устройствам передачи сигналов от аналоговых датчиков к измерительной системе и может использоваться в стационарных комплексах непрерывного контроля таких величин, как вибрация, угловая скорость, давление, температура, пульсации давления, звук, динамические силы, изменения магнитного и электрического поля и т.п.
Многие первичные измерительные преобразователи физических величин в электрические сигналы могут подключаться к измерительной аппаратуре по двухпроводной линии. Это требует минимального количества соединительных проводов и контактов в соединительных элементов, если они используются. Этот типично для датчиков, не содержащих встроенной электроники (зарядовые пьезоэлектрические акселерометры, индукционные велосиметры и т.п.), но отсутствие формирования сигналов в непосредственной близости от первичного измерительного преобразователя при передаче на значительное расстояние не обеспечивает удовлетворительной помехоустойчивости. Использование встроенной электроники в датчике обеспечивает улучшение параметров, но может потребовать дополнительных шин питания, что увеличивает затраты на количество соединительных линий и количество контактов входных соединителей (клеммников или разъемов) измерительной аппаратуры, снижая ее надежность, а также увеличивая габариты, вес и стоимость.
В настоящее время выпускается большое количество датчиков вибрации, давления, магнитного поля, температуры и т.п., выполненных по технологии MEMs, имеющих общий вывод, вывод питания и выход аналогового сигнала, величина сигнала на котором линейно зависит от измеряемой физической величины, и при нулевом внешнем воздействии имеющих напряжение, близкое или равное половине напряжения питания. Интерфейс, называемый логометрическим (ratiometric), такого датчика требует трехпроводного соединения, что ограничивает возможности их использования в системах распределенного контроля, поскольку требует большого количества контактных соединений в разъемах или клеммниках, большое количество проводов, что увеличивает габариты и стоимость систем.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом (например, вибрации - акселерометры, или акустического сигнала - микрофоны) с передачей сигнала и питания по двухпроводной линии соответствующие интерфейсу IEPE и его аналогам. В этом интерфейсе в измерительном приборе используют генератор постоянного тока, питаемый от источника постоянного напряжения и подключаемый к датчику с аналоговым выходом через первый провод к выводу питания/сигнала, а второй провод линии является общим [Felix Levinzon. Piezoelectric Accelerometers with Integral Electronics. Springer, 5 edition (August 6, 2014), 169 pages]. Недостатком такой системы является необходимость использования сравнительно большого напряжения питания (обычно порядка 24 Вольт), что, даже при низком значении тока питания (2 мА), приводит к значительной потребляемой мощности, снижает надежность из-за необходимости использования элементов, рассчитанных на высокое напряжение и плохо согласуется с типовыми требованиями по питанию датчиков, выполненных по МЭМС (MEMs) технологии. Кроме того, минимальный ток питания в 2 мА часто недостаточен для питания датчиков MEMs. Выходное напряжение датчика при отсутствии измерительного сигнала порядка 10-14 вольт и при подаче на выход напряжения питания выше указанной величины, например при повреждении генератора тока или ошибке монтажа, приводит к повреждению датчика. Работа датчиков такого типа основана на изменении сопротивления в цепи постоянного тока, пропорционально измеряемой величине и передаче по линии напряжения, контролируемого на выходе системы передачи аналогового сигнала.
Известно решение передачи сигналов датчика по двухпроводной линии, в котором сигнал передается по сигнальной линии на приемник сигнала, причем на стороне приемника сигнала линия передачи сигнала соединена с входом приемника сигналов через конденсатор, а общая шина приемника сигналов соединена с общей шиной датчика [Patent US 3356868, НПК 310/3187, МПК G01P 15/09; H03F 3/70, приор. 1963, публ. 1967]. Недостатком такого решения является необходимость использования встроенного в датчик источника питания.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом, использующие датчики с встроенным согласующим усилителем, который соединяется с приемником сигнала трехпроводной линией связи, включающей в себя общую шину, шину питания и шину передачи сигнала [Patent US 3389276, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1965, публ. 1968].
Недостатком такого решения является необходимость использования трехпроводной линии для подключения датчика, что существенно увеличивает затраты на них.
Известны системы передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом, в которых используют датчики с передачей сигнала по двухпроводной линии, содержащие чувствительный элемент, соединенный с согласующим усилителем, который преобразует сигнал чувствительного элемента в изменение сопротивления, включенное между выходной и общей шиной линии передачи сигнала, которая в приемнике соединена через токозадающий резистор с шиной источника питания и с входом согласующего приемного усилителя [Patent US 3400284, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1966 публ. 1968, а также RE 28596 US, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1973, опубл. 1975].
Недостатками таких решений является необходимость использования в приемнике токозадающих элементов, например резисторов, достаточно высокого номинала, что приводит к необходимости увеличения требуемого напряжения общего источника питания, а следовательно, и использования относительно высоковольтных элементов, имеющих повышенную стоимость, габариты и вес, а также пониженную надежность.
Аналогичные свойства и недостатки присущи техническим решениям, соответствующим интерфейсу IEPE и его аналогам: ICP, Izotron, Deltatron, Piezotron и т.п.
Известны системы передачи аналогового сигнала от датчика по двухпроводной линии в виде токового сигнала (токовая петля), в которых датчик питается от положительной шины источника постоянного напряжения, а в датчике имеется управляемый генератор тока, величина тока которого зависит от сигнала первичного измерительного преобразователя, выход управляемого генератора тока соединен через второй провод двухпроводной лини связи с первым выводом токоприемного резистора, второй вывод которого соединен с отрицательной шиной источника питания в приемной части системы [Patent US 4178525, НПК 310/319, МПК G01P 15/09, приор. 1978, опубл. 1979, а также: «XTR115 XTR116. 4-20 mA Current loop transmitters. Texas Instruments, 2003»].
Недостатком такой системы является необходимость использования сравнительно высокого напряжения питания, жесткое ограничение на величину напряжения и тока питания первичного измерительного преобразователя, например датчика MEMs. Кроме того, оба соединительных проводника при этом не соединены с общей шиной измерительного прибора и источника питания постоянного напряжения, что требует введения дополнительного входного контакта для подключения экрана двухпроводной линии, если двухпроводная линия, для обеспечения удовлетворительной помехоустойчивости, выполнена экранированной. Потребляемая мощность при этом существенно выше даже по сравнению с датчиком и системой передачи по интерфейсу IEPE.
Предлагаемое изобретение содержит варианты, объединенные общим изобретательским замыслом, состоящим в передаче напряжения питания по двухпроводной линии с нужной, сравнительно низкой, величиной напряжения, близкой к напряжению питания электроники первичного измерительного преобразователя (датчика), и передачей аналогового сигнала путем изменения величины тока в двухпроводной линии за счет регулирования тока в выходной цепи датчика. Это снижает требования к величине напряжения питания и обеспечивает использование общих выходных цепей, к которым подключен датчик. Другими словами, предлагаемое решение обеспечивает сочетание преимуществ передачи сигнала по двухпроводной линии в виде изменений тока по токовой петле, в котором в приемной части не требуется использования формирователя тока питания датчика, и интерфейса IEPE (Integrated electronics piezoelectric) - другие синонимы: ICP, Deltatronic, Piezotronic и т.п., которые позволяют реализовать в источнике передаваемого сигнала формирование выходного сигнала за счет управляемого резистора и которые передают сигнал в виде изменений напряжения, но требуют использования в приемном узле схемы формирования постоянного тока питания.
Предлагаемое решение позволяет использовать общее питание в передающей и приемной части 5 вольт или 3,3 вольта и ниже, типовые для современной электронной базы.
Наиболее близкой к предложенным вариантам (выбранным в качестве прототипа), является система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащая датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого и второго проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом [Patent US 2012/001328 А1, МПК G01B 7/14, НКИ 324/7.15, приоритет 2010, опубл. 19.01.2012].
Недостатком данного устройства является относительно низкая экономичность, поскольку для его питания требуется использовать относительно высокое напряжение питания, обеспечивающее работу источника постоянного тока, использованного в приемном узле, сравнительно низкая надежность, так как для его реализации требуется использование элементов, рассчитанных на это повышенное напряжение питания. При этом на линии передачи сигналов присутствует относительно высокое напряжение постоянного смещения, что требует использования на выходе передающего сигнал узла и на входе приемного узла элементов, рассчитанных на это повышенное напряжение, что ограничивает возможность использования элементов, рассчитанных на низковольтное питание, что сужает область применения такого решения. Использование элементов, рассчитанных на повышенное напряжение, также ведет к увеличению стоимости, габаритов, веса и вероятности отказа.
Кроме того, если используется узел с управляемым сопротивлением, в приемном узле необходимо использовать источник тока для питания датчика, а если не использовать источник тока в приемном узле, в качестве узла с управляемым сопротивлением необходимо использовать контроллер тока (Фиг. 3A прототипа), причем оба эти варианта требуют существенного увеличения напряжения питания.
Устранение указанных недостатков, т.е. расширение области применения, повышение достоверности функционирования и надежности обеспечивается тем, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого и второго проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, а выход токоприемного усилителя является выходом сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии источник постоянного напряжения содержит шунтирующий конденсатор, который соединен с положительной и отрицательной шинами этого источника.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого и второго проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, вывод питания которого соединен с первым концом первого провода двухпроводной линии, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, а выход токоприемного усилителя является выходом сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого соединен с первым концом одного из проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, вывод питания которого соединен с первым концом первого провода двухпроводной линии, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, а выход токоприемного усилителя является выходом сигнала.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии узел с управляемым сопротивлением выполнен в виде ограничивающего резистора, первый вывод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого является вторым выводом ограничивающего резистора.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии выход узла с управляемым сопротивлением соединен с первым концом первого провода двухпроводной линии, узел с управляемым сопротивлением выполнен в виде стабилитрона, анод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого является катодом стабилитрона.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии выход узла с управляемым сопротивлением соединен с первым концом второго провода двухпроводной линии, узел с управляемым сопротивлением выполнен в виде стабилитрона, катод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого является анодом стабилитрона.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого и второго проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, а выход токоприемного усилителя является выходом сигнала, вывод питания датчика с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора напряжения с низким внутренним падением, вход и общий вывод которого соединены соответственно с первым концом первого провода двухпроводной линии и первым концом второго провода двухпроводной линии.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии, содержащей датчик с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого и второго проводов двухпроводной линии, вторые концы которых соединены с первым и вторым контактами приемного узла, который содержит токоприемный резистор, а также источник постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной приемного узла, а первый конец второго провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика с аналоговым выходом, приемный узел дополнительно содержит токоприемный усилитель, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора, которые соединены соответственно с положительной шиной источника постоянного напряжения и первым контактом приемного узла, второй контакт которого соединен с общей шиной, а выход токоприемного усилителя является выходом сигнала, вывод питания датчика с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора напряжения с низким внутренним падением, вход и общий вывод которого соединены соответственно с первым концом первого провода двухпроводной линии и первым концом второго провода двухпроводной линии, дополнительный вход узла с управляемым сопротивлением соединен с первыми выводами первого и второго дополнительных резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом стабилизатора напряжения с низким внутренним падением и с первым выводом второго провода двухпроводной линии.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии в качестве датчика с аналоговым выходом использован пьезоэлектрический элемент, выводы которого соединены с выходом и общей шиной датчика с аналоговым выходом, которые соединены между собой через резистор утечки.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии в качестве узла с управляемым сопротивлением использован полевой транзистор, затвор которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого являются истоком и стоком полевого транзистора.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии в качестве узла с управляемым сопротивлением использован МОП транзистор, затвор которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого являются истоком и стоком МОП транзистора, а управляющий вход узла с управляемым сопротивлением соединен с его выходом через вспомогательный резистор.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии узел с управляемым сопротивлением содержит МОП транзистор и р-n-р биполярный транзистор, коллектор которого является общим выводом узла с управляемым сопротивлением, который через режимный резистор соединен с базой р-n-р биполярного транзистора и истоком МОП транзистора, затвор которого является управляющим входом узла с управляемым сопротивлением, выход которого соединен со стоком МОП транзистора и эмиттером р-n-р биполярного транзистора.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии узел с управляемым сопротивлением содержит операционный усилитель с однополярным питанием, выход которого соединен с его инверсным входом через резистор обратной связи, инверсный вход операционного усилителя с однополярным питанием через входной резистор соединен с управляющим входом узла с управляемым сопротивлением, общая шина которого соединена с общим выводом операционного усилителя с однополярным питанием, вывод питания и выход которого соединены через резистор задания тока, а вывод питания и прямой вход операционного усилителя с однополярным питанием являются соответственно выходом и дополнительным входом узла с управляемым сопротивлением.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии двухпроводная линия связи выполнена в виде коаксиального кабеля, центральная жила и экран которого являются соответственно первым и вторым проводами двухпроводной линии.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии двухпроводная линия выполнена в виде двухпроводного кабеля с общим экраном, первый и второй провода которого являются соответственно первым и вторым проводами двухпроводной линии, а экран соединен с вторым выводом второго провода.
Другое отличие состоит в том, что в системе передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии двухпроводная линия выполнена в виде двухпроводного кабеля «витая пара» с общим экраном, первый и второй провода которого являются соответственно первым и вторым проводами двухпроводной линии, а экран соединен с вторым выводом второго провода.
Предлагаемое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема системы по первому варианту технического решения.
На фиг. 2 показана структурная схема системы по второму варианту технического решения.
На фиг. 3 и 4 показаны структурные схемы системы по третьему варианту технического решения.
На фиг. 5 показана структурная схема системы по четвертому варианту технического решения.
На фиг. 6 показана структурная схема системы по пятому варианту технического решения.
На фиг. 7-10 приведены возможные варианты внутренней структуры датчиков и узлов с управляемым сопротивлением.
Если датчик с аналоговым выходом 1 не требует для своей работы внешнего питания (пьезоэлектрический акселерометр или индуктивный велосиметр), систему можно реализовать по первому варианту изобретения, как показано на фиг. 1.
Система передачи сигналов от датчиков 1 с аналоговым выходом по двухпроводной линии 2 содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого 4 и второго 5 проводов двухпроводной линии 2, вторые концы которых соединены с первым 6 и вторым 7 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник постоянного напряжения 10, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла 8, а первый конец второго провода 5 двухпроводной линии 2 соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, приемный узел 8 также содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 11 постоянного напряжения и первым контактом 6 приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, а выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала.
В качестве токоприемного усилителя можно использовать токочувствительные усилители (Current-Sense Amplifiers), широкая номенклатура которых выпускается в настоящее время (МАХ472, ZXCT1084E5TA, MAX4376TAUK, LT6107, LT6108, TSC1021 и т.п.).
Источник постоянного напряжения 10 может дополнительно содержать шунтирующий конденсатор 14, который соединен с положительной и отрицательной шинами этого источника 10.
Если датчик 1 требует для своего функционирования внешнего питания, например это датчик, выполненный по MEMs технологии с логометрическим (ratiometric) выходом, система может быть выполнена по второму варианту реализации, как показано на фиг. 2.
Система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого 4 и второго 5 проводов двухпроводной линии 2, вторые концы которых соединены с первым 7 и вторым 8 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник постоянного напряжения 10, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла 8, а первый конец второго 5 провода двухпроводной линии соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, вывод питания которого соединен с первым концом первого провода 4 двухпроводной линии 2, приемный узел 8 дополнительно содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 10 постоянного напряжения и первым контактом 6 приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, а выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала.
Если в качестве датчика 1 с аналоговым выходом использован датчик, обеспечивающий изменения выходного тока в достаточном интервале значений, возможно совмещение функций датчика и узла с управляемым сопротивлением, который в этом случае может быть выполнен в виде резистора или стабилитрона. Такой режим работы могут обеспечить большинство существующих датчиков с аналоговым выходом, выполненные по MEMs технологии с логометрическим (ratiometric) выходом. Такой вариант реализации устройства представлен на фиг. 3 и 4.
В этом варианте система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выход которого соединен с первым концом одного из проводов двухпроводной линии 2, вторые концы которых соединены с первым 6 и вторым 7 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник 10 постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла 8, а первый конец 5 второго провода двухпроводной линии 2 соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, вывод питания которого соединен с первым концом 4 первого провода двухпроводной линии 2, приемный узел 8 дополнительно содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 10 постоянного напряжения и первым контактом 6 приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, а выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала.
Как показано на фиг. 3, узел с управляемым сопротивлением 3 выполнен в виде ограничивающего резистора 3, первый вывод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого является вторым выводом ограничивающего резистора 3.
На схеме, представленной на фиг. 3, выход узла с управляемым сопротивлением 3 соединен с первым концом первого 4 провода двухпроводной линии 2.
Узел с управляемым сопротивлением 3 при этом может быть выполнен выполнен в виде стабилитрона (стабистора или стабилизатора шунтирующего типа), анод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением 3, выход которого является катодом стабилитрона.
На структурной схеме, показанной на фиг. 4, выход узла с управляемым сопротивлением 3 соединен с первым концом второго 5 провода двухпроводной линии 2.
В этом случае узел с управляемым сопротивлением 3 может быть выполнен в виде стабилитрона (стабистора или стабилизатора шунтирующего типа), катод которого является входом управления узла с управляемым сопротивлением, выход которого является анодом стабилитрона.
При использовании некоторых вариантов MEMs датчиков желательно обеспечить стабилизированное напряжение их питания, поскольку смещение постоянной составляющей и чувствительность на их логометрическом (ratiometric) выходе зависят от напряжения питания. В этом случае обеспечить такую стабилизацию можно за счет использования дополнительного стабилизатора напряжения, желательно с низким допустимым внутренним падением напряжения (LDO). В этом варианте предлагаемого технического решения структурная схема соответствует показанной на фиг. 5.
Для этого варианта исполнения система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого 4 и второго 5 проводов двухпроводной линии 2, вторые концы которых соединены с первым 6 и вторым 7 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник 10 постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла 8, а первый конец 5 второго провода двухпроводной линии 2 соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, приемный узел 8 дополнительно содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 10 постоянного напряжения и первым 6 контактом приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, а выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала, вывод питания датчика 1 с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора 15 напряжения с низким внутренним падением, вход и общий вывод которого соединены соответственно с первым концом первого 4 провода двухпроводной линии 2 и первым концом второго 5 провода двухпроводной линии 2.
Возможны варианты выполнения, в которых для правильного функционирования узла с управляемым сопротивлением 3 необходимо дополнительное опорное напряжение. В этом случае структурная схема предлагаемого решения соответствует представленной на фиг. 6.
Для этого варианта система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии содержит датчик 1 с аналоговым выходом, выход которого соединен с входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого соединены с первыми концами первого 4 и 5 второго проводов двухпроводной линии 2, вторые концы которых соединены с первым 6 и вторым 7 контактами приемного узла 8, который содержит токоприемный резистор 9, а также источник 10 постоянного напряжения, отрицательная шина которого является общей шиной 11 приемного узла 8, а первый конец второго провода двухпроводной линии 2 соединен с общим выводом датчика 1 с аналоговым выходом, приемный узел 8 дополнительно содержит токоприемный усилитель 12, входы которого соединены с первым и вторым выводами токоприемного резистора 9, которые соединены соответственно с положительной шиной источника 10 постоянного напряжения и первым контактом 6 приемного узла 8, второй контакт 7 которого соединен с общей шиной 11, а выход токоприемного усилителя 12 является выходом 13 сигнала, вывод питания датчика 1 с аналоговым выходом соединен с выходом стабилизатора 15 напряжения с низким внутренним падением, вход и общий вывод которого соединены соответственно с первым концом первого 4 провода двухпроводной линии 2 и первым концом второго 5 провода двухпроводной линии 2, дополнительный вход узла 3 с управляемым сопротивлением соединен с первыми выводами первого 16 и второго 17 дополнительных резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с выходом стабилизатора 15 напряжения с низким внутренним падением и с первым выводом второго 5 провода двухпроводной линии 2.
В качестве датчика 1 с аналоговым выходом, как показано на фиг. 7-9, может быть использован пьезоэлектрический элемент 18, выводы которого соединены с выходом и общей шиной датчика 1 с аналоговым выходом, которые соединены между собой через резистор 19 утечки.
Как показано на фиг. 7, в качестве узла 3 с управляемым сопротивлением может быть использован полевой транзистор 20, затвор которого является входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого являются истоком и стоком полевого транзистора 20.
Как показано на фиг. 8, в качестве узла 3 с управляемым сопротивлением может быть использован МОП транзистор 21, затвор которого является входом управления узла 3 с управляемым сопротивлением, выводы питания и общий которого являются истоком и стоком МОП транзистора 21, а управляющий вход узла 3 с управляемым сопротивлением соединен с его выходом через вспомогательный резистор 22.
Как показано на фиг. 9, узел 3 с управляемым сопротивлением может содержать МОП транзистор 21 и р-n-р биполярный транзистор 24, коллектор которого является общим выводом узла 3 с управляемым сопротивлением, который через режимный резистор 25 соединен с базой р-n-р биполярного транзистора 24 и истоком МОП транзистора 21, затвор которого является управляющим входом узла 3 с управляемым сопротивлением, выход которого соединен со стоком МОП транзистора 21 и эмиттером р-n-р биполярного транзистора 25.
Как показано на фиг. 10, узел 3 с управляемым сопротивлением может содержать операционный усилитель 26 с однополярным питанием, выход которого соединен с его инверсным входом через резистор 27 обратной связи, инверсный вход операционного усилителя 26 с однополярным питанием через входной резистор 28 соединен управляющим входом узла 3 с управляемым сопротивлением, общая шина 11 которого соединена с общим выводом операционного усилителя 26 с однополярным питанием, вывод питания и выход которого соединены через резистор 29 задания тока, а вывод питания и прямой вход операционного усилителя 26 с однополярным питанием являются выходом и дополнительным входом узла 3 с управляемым сопротивлением.
Двухпроводная линия 2 может быть выполнена в виде коаксиального кабеля, центральная жила и экран которого являются соответственно первым и вторым проводами двухпроводной линии 2 связи, как показано на фиг. 1.
Двухпроводная линия 2 связи может быть выполнена в виде двухпроводного кабеля с общим экраном, первый 4 и второй 5 провода которого являются соответственно первым 4 и вторым 5 проводами двухпроводной линии 2 связи, а экран соединен с вторым выводом второго 5 провода, как показано на фиг. 3.
Двухпроводная линия 2 может быть выполнена в виде двухпроводного кабеля «витая пара» с общим экраном, первый 4 и второй 5 провода которого являются соответственно первым 4 и вторым 5 проводами двухпроводной линии 2 связи, а экран соединен с вторым выводом второго провода.
Система передачи сигналов от датчиков с аналоговым выходом по двухпроводной линии работает следующим образом.
Датчик 1 с аналоговым выходом преобразует контролируемую физическую величину в аналоговый электрический сигнал, например в заряд или напряжение. Этот сигнал поступает на узел 3, который преобразует этот сигнал в изменения сопротивления для изменения тока, проходящего через него под действием приложенного напряжения.
Если в системах с интерфейсом IEPE через узел 3 и остальную часть схемы протекает постоянный по величине ток от генератора тока в приемном узле 3, а в системах с интерфейсом «токовая петля» приложенное к входной части постоянное напряжение сопровождается изменением тока за счет использования встроенного управляемого генератора тока, в предложенном устройстве могут в относительно небольших пределах меняться как ток, так и напряжение питания датчика 1.
Изменения напряжения питания датчика в предлагаемом устройстве сравнительно невелики, поскольку это напряжение отличается от напряжения источника 10 на величину падения на токоприемный резисторе 9, типовая величина которого для токоприемных усилителей не превышает нескольких единиц или десятков Ом. Поскольку коэффициент усиления токоприемного усилителя 12 обычно весьма значителен, выходной сигнал на выходе 13 достаточно большой.
Для схем, показанных на фиг. 3 и 4, величина тока, формируемого для передачи по линии, определяется суммой тока потребления собственно датчика 1 с аналоговым выходом и током через резистор 3. Для схем на фиг. 3 и 4 динамические изменения величины тока в линии 2 имеют противоположный знак.
Если выходное сопротивление датчика 1 с аналоговым выходом достаточно велико, вместо резистора 3 могут быть использованы стабилитроны, стабисторы или стабилизаторы напряжения шунтирующего типа. В этом случае сравнительно небольшие изменения напряжения на выходе датчика 1 с аналоговым выходом могут быть преобразованы в достаточно большие изменения тока передаваемого по линии 2.
Поскольку изменения напряжения передаваемое по линии невелики, поступающее на датчик 1 напряжение питания достаточно для его нормального функционирования. Если необходимо обеспечить большую стабильность характеристик, возможно использование стабилизатора 15 напряжений. Для обеспечения лучших характеристик этот стабилизатор может быть выполнен как имеющий низкое внутреннее падение (LDO) между входом и выходом.
В отличие от использования интерфейса IEPE, для которого недопустимо прямое подключение общей шины передачи питания и сигнала к шине питания узла приема, ведущее к повреждению схемы датчика, предлагаемое решение использует такой режим, как основной рабочий. Отсутствие в узле питания генератора тока или генератора тока в источнике сигнала, что типично для интерфейса токовой петли, сокращает потери мощности. Кроме того, если в интерфейсе IEPE источник сигнала, передаваемого по линии передачи сигнала, имеет относительно низкое внутреннее сопротивление, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, или от интерфейса токовой петли, для которого типично низкое входное сопротивление, обеспечивающее повышенную помехоустойчивость, предлагаемое решение характеризуется низким внутренним сопротивлением для наводок как со стороны источника, так и приемника сигналов, что обеспечивает повышенную помехоустойчивость.
Предлагаемое решение обеспечивает возможность работы при напряжении питания источника 10 на уровне, например, +5 или +3,3 вольта и для своей реализации не требует применения элементов с рабочим напряжением не выше указанных. Это позволяет существенно расширить область его применения, повысить надежность и снизить стоимость и габариты, поскольку элементы с низким рабочим напряжением дешевле, надежнее, меньше по габаритам и весу.
Таким образом предлагаемое решение обеспечивает повышенную помехоустойчивость, надежность, достоверность функционирования и более широкую область применения и может быть реализовано с использованием элементов, имеющих низкие рабочие напряжения.