Для изолированного аналогового канала, как правило, требуется развязка и канала питания схемы, и информационного канала. Существуют оптопары, специально разработанные для развязки аналоговых сигналов. Мы не будем использовать это решение, поскольку оно не лишено недостатков и не позволяет решить задачу максимального упрощения изоляции. Вместо этого рассмотрим традиционную схему построения развязки аналогового канала с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (см. рис. 1). Изолирующий барьер, состоящий из трансформатора и трех оптопар, размещен между АЦП и микроконтроллером (вместо оптопар могут применяться устройства, использующие для передачи неоптические методы). Трансформатор служит для передачи энергии и обеспечивает изолированное питание. Он может находиться внутри модульного DC/DC-преобразователя. Одна из оптопар нужна для передачи тактовых импульсов, которые служат для синхронизации интерфейса и, в некоторых случаях, являются тактовыми для самого АЦП. Две другие оптопары передают данные в АЦП (для управления, калибровки и т.д.) и из АЦП (цифровое значение измеренной аналоговой величины).

Упростить гальваническую развязку - значит уменьшить количество устройств изолирующего барьера. Попробуем решить эту задачу, помня, что передать данные в нашем случае можно, только манипулируя или временными величинами (частота, ШИМ и т.д.), или физическими (напряжение, ток и т.д.).

Возбуждение трансформатора тактовой частоты АЦП

Трансформатор для передачи энергии обычно возбуждается прямоугольными импульсами, которые вырабатывает простейший генератор. Можно для этого использовать тактовые импульсы АЦП. Этот очевидный прием позволяет избавиться от одной оптопары. Питающее напряжение выпрямляется диодом VD1 и сглаживается конденсатором C2 (см. рис. 2). Тактовые импульсы фильтруются от нежелательных всплесков цепью R2, VD2, VD3.

Рис. 2. Передача данных и тактовой частоты через трансформатор

Управление АЦП

Схему можно упростить, если вместо АЦП использовать преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). ПНЧ работает непрерывно и не требует управления. Однако для такого решения необходима дополнительная обработка данных (измерение частоты), а это либо нагружает микроконтроллер, либо требует применения дополнительных специализированных микросхем (таймеров). Это особенно нежелательно в многоканальных системах. Использование АЦП обеспечивает микроконтроллер цифровым значением без дополнительной обработки, но требует, как минимум, команды «Старт преобразования» и/или синхронизации последовательного интерфейса (во многих АЦП для этих целей используется общеизвестный вход Chip Select). Чтобы запустить преобразователь, можно использовать, например, монитор питания. После подачи питающего напряжения, монитор будет давать команду «Старт преобразования». Включая/выключая питание на достаточное время, можно обеспечить управление, но подобная схема ухудшает такой важный параметр системы, как количество преобразований за единицу времени. Чтобы избежать этого ухудшения, можно использовать схему управления, приведенную на рисунке 2, и прерывать возбуждение трансформатора на очень короткое время –1-2 периода. При наличии тактовых импульсов транзистор VT1 периодически разряжает конденсатор C1, не давая ему зарядиться до порогового напряжения компаратора DA2. При прекращении подачи тактовых импульсов и при заряде C1 до Vref, компаратор подает сигнал START на АЦП.

Суммарный ток потребления схемы на стороне АЦП должен быть достаточно низким, поскольку во время «пауз» тактовой частоты вся схема питается энергией, запасенной в конденсаторе C2.

Получение данных

Это более сложная задача. Необходимо найти величину, изменяя которую можно передать информацию со стороны АЦП в микроконтроллер. Токовая петля 4...20 мА является хорошим примером передачи данных путем изменения потребляемого тока. В нашем случае – это единственный путь, с той лишь разницей, что будет меняться мгновенное потребление схемы. Если АЦП передает логический нуль, транзистор VT2 закрыт, и ток потребления схемы равен суммарному потреблению всех электронных компонентов на стороне АЦП (см. рис. 2). При передаче логической единицы транзистор VT2 открывается и добавляет дополнительную нагрузку (резистор R3). Датчик тока потребления R4 и компаратор DA3 формируют последовательные данные для загрузки в микроконтроллер. Для нормальной работы схемы разница токов потребления без и с резистором R3 должна быть значительной (минимум на порядок).

Рис. 3. Изолированный 12-битный аналоговый канал измерения

Изолированный 12-битный аналоговый канал измерения

Схема изолированного канала приведена на рисунке 3 (для простоты не показаны цепи питания микросхем с блокирующими конденсаторами). В качестве АЦП использован идеально подходящий для этого MAX1287 (см. описание по адресу: www.datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX1286-MAX1289.pdf). Этот высоколинейный преобразователь имеет последовательный интерфейс, чрезвычайно низкое энергопотребление и уникальный вывод для управления - CNVST. Микросхема MAX6063 используется для генерации опорного напряжения АЦП, а также для питания всей схемы. Компаратор DA2 формирует тактовые импульсы. Резистор R1 служит для ограничения тока через входные защитные диоды, в том числе при первичной подаче питания. Элементы VT1, C2, R4 и DA3.1 формируют положительный импульс спустя 1 мкс после исчезновения тактовой частоты, а элементы C4, R6, и DA3.2 формируют импульс длительностью 1,8 мкс для нормальной работы устройства выборки-хранения АЦП. Пороговое напряжение компаратора DA5, а также величины резисторов R8 и R9 указаны ориентировочно для тактовой частоты 1 МГц, индуктивности обмоток трансформатора 1 мГн и сопротивления постоянному току менее 1 Ом. При такой частоте и индуктивности максимальный ток магнетизации обмотки приблизительно равен току потребления схемы без резистора R8. При выборе трансформатора важно обеспечить отсутствие насыщения при передаче логических единиц, а также падение тока до нуля при закрытом транзисторе VT3. Магнитопровод не должен иметь зазоров.

В блоке А1 на усмотрение разработчика можно разместить пассивную защиту входа, фильтр низких частот, а также входной делитель или, наоборот, дополнительный микромощный операционный или инструментальный усилитель для масштабирования сигнала на входе АЦП.

Для запуска преобразования микроконтроллер должен пропустить 7 периодов тактовой частоты. После этого, передавая 12 тактов, он должен загрузить данные из АЦП, защелкивая их по срезу тактовых импульсов. После 12 импульса и до следующего преобразования микроконтроллер будет получать последовательность логических нулей. Уникальность микросхемы MAX1287 состоит еще и в том, что, немного усложнив алгоритм управления, можно обеспечить переключение входов, реализовав тем самым двухканальную изолированную схему измерения.

Заключение

Использование малопотребляющего АЦП MAX1287 и реализация нескольких способов упрощения изоляции, позволили ограничиться всего одним трансформатором для изоляционного барьера. Напряжение изоляции зависит только от конструкции трансформатора, оно может превышать наиболее распространенные значения 1,5 кВ или 2,5 кВ. Полученная схема проста, недорога и требует минимума пространства на печатной плате. Это позволяет использовать ее для реализации многоканальных схем измерения с индивидуальной развязкой и одновременным измерением (см. рис. 4).

Рис. 4. Многоканальная измерительная схема

Автор выражает благодарность Андрею Яковлеву за помощь в работе над статьей.