4mA-20mA áramhurok

A távadók tipikusan szenzorok jeleit továbbítják a feldolgozó egységekhez analóg jelek formájában ipari környezetben, folyamatirányításban. Az analóg kimeneti jel lehet 0V-10V tartományú feszültség vagy 4mA-20mA tartományú áram (áramhurok). A feldolgozó egységek többnyire PLC-k, melyek rendelkeznek ilyen analóg jelekkel kompatibilis bemenetekkel.

Gyakoribb távadók közé tartoznak a hőmérséklettávadók, nyomástávadók, áramlástávadók, pozíciótávadók. Az analóg jelek sávszélessége kicsi, pár 10Hz vagy kisebb.

A 4mA-20mA áramkimenet - más néven áramhurok - a legelterjedtebb analóg jelátviteli forma. Az alapelv a következő:

Az áramgenerátor árama a külső zavarjelek csökkentése érdekében sodort vezetékpáron csatlakozik a vevőegységhez. Az R_L ellenálláson az átfolyó áram feszültséget hoz létre, ami a mérendő jelet adja.

Négyvezetékes távadó

Négy vezetékkel függetlenül biztosítható a távadó szenzorkezelő és vezérlő része számára tápfeszültség, illetve a jel számára az áram be- és kimenet.

A PLC 24V-os kimeneti feszültsége a vezérelt áramgenerátorra jut, melynek áramát a szenzor jele határozza meg. Az RS ellenálláson eső feszültséget a vezérlő áramkör használja fel az áram szabályozására. A PLC-ben az RL ellenálláson átfolyik az áram, az így kapott feszültséget digitalizálja az A/D konverter. Az RL ellenállás értéke szabványosan 250Ω, ami 1V és 5V közötti feszültséget jelent a 4mA és 20mA esetén. Ha kisebb feszültségre van szükség, akkor a 250Ω ellenállást két ellenállás sorbakapcsolásával lehet előállítani, így a földelt ellenálláson eső feszültség tartománya kisebb lehet.

Háromvezetékes távadó

Három vezetékkel is megoldható a kapcsolat. Ebben az esetben egy tápfeszültségről üzemel a teljes távadóáramkör. A vezérlőáramkör számára a távadóban a kisebb feszültséget feszültségszabályzó állítja elő, az áramkimenethez továbbra is független vezeték tartozik.

Kétvezetékes távadó

Akár két vezetékkel is összeköthető a távadó és a feldolgozó egység. Ebben az esetben a tápfeszültség és tápáram része az áramhuroknak (loop powered transmitter).

A hurokban folyó áram két részből tevődik össze: a távadó áramgenerátorának áramából és a többi áramköri rész által felvett áramból. Természetesen ez utóbbinak 4mA alattinak kell lennie. A szabályozóáramkör úgy állítja be az áramgenerátor áramát, hogy a teljes áram legyen megfeleltethető a szenzor jelének.

Áramköri megvalósítás

Egy lehetséges áramköri megvalósítást mutat az alábbi ábra. Ilyen elven működik az XTR115/XTR116 integrált áramkör.

A műveleti erősítő bemenetei azonos feszültségűek, a távadó viszonyítási pontjával (0V) megegyezőek, így az R₁ és R₂ ellenálláson azonos feszültség esik:

Az I₁ áramot viszont a szenzor jele határozza meg:

Ezekől következik, hogy

Az XTR115/XTR116 integrált áramkör esetén az R₁ ellenállás az R₂ ellenállás 99-szerese, így

Jegyezzük meg azt is, hogy az I₂ áram egy részét az A2 műveleti erősítővel és Q1 tranzisztorral felépített áramgenerátor árama adja, a másik része az áramköri elemek tápárama, mivel ez a visszatérési ág is.

HART modem

Az áramhurok egyszerűen kiegészíthető digitális adatátvitellel is, melyet a nyíltan elérhető szabvánnyal rendelkező HART (Highway Addressable Remote Transducer) protokoll segítségével lehet elvégezni.

A HART modem feladata az, hogy íráskor a digitális jelet az áramhurokra csatolja, illetve olvasáskor az azon levő digitális jelet dekódolja.

A digitális jel egy 500mV amplitúdójú szinuszos jellel kódolt: a logikai 1 ("mark") 1200Hz, a logikai 0 ("space") 2200Hz frekvenciájú (frequency shift keying, FSK). Egy byte átvitele az UART protokollnak megfelelő soros adatátvitel, amit az alábbi ábra illusztrál.

Inaktív állapotban logikai 1 az érték, azaz 1200Hz-es jel. Az adatátvitel start bittel kezdődik, ami logikai 0 értékű, majd ezt követik az adatbitek. Egy byte átvitelét egy logikai 1 értékű stopbit zárja le. Egy-egy bit átvitelét 1200Hz-es jelből egy, 2200Hz-es jelből két periódus jelenti.

Az áramhuroknak számos előnye van:

• A minimális 4mA áram egyszerű lehetőséget biztosít érintkezési hibák, működési rendellenességek egyszerű érzékelésére.
• Az áramérték elég nagy ahhoz, hogy az esetleges szivárgó áramok és zavarjelek elhanyagolhatóan kis hatásúak legyenek.
• Nem érzékeny a zavarjelekre - a hurokban az áramgenerátor ellenállása sokkal nagyobb (>MΩ), mint a mérőellenállásé (250Ω), így a zajfeszültség döntő része a távadón esik.
• Az áram a hurok minden pontján azonos, a vezetékek ellenállása nem befolyásolja a mérés pontosságát.
• Igen hosszú vezetékezés is használható, a jelek akár több száz méterre is továbbíthatók.
• Akár két vezeték is elegendő a távadó és feldolgozó egység összekötésére, a tápfeszültség része lehet a huroknak.
• A jelvezetékeken digitális jelek is továbbíthatók HART modem segítségével.

Egyoldalas és differenciális digitális jelátvitel

Az RS-232 és RS-485 interfész szabványokat elterjedten használják az ipari adatkommunikáció területén. Ezek az interfészáramkörök a kis teljesítményű CMOS/TTL jeleket átalakítják adatkábelek meghajtására alkalmas jelekké, illetve a kábeleken levő jeleket vissza is alakítják. Ennek megfelelően meghajtó/továbbító (driver, transmitter) és vevő (receiver) áramköri részeket tartalmaznak (transceiver).

Az adatok küldése és fogadása bitenkénti soros átvitellel történik, ugyanakkor a szabvány nem köti meg az alkalmazott protokollt, csak az áramköri jellemzőket (fizikai réteg, PHY) határozza meg.

RS-232

Az RS-232 TIA (Recommended Standard 232, Telecommunications Industry Association) szabvány egyoldalas jeleket használ vezetékek meghajtására. A két irányú adatcsere két vezetéken valósul meg egymással akár egyitőben (full duplex). Az alábbi táblázat foglalja össze a főbb jellemzőket:

Jellemző	Érték
Maximális adatátviteli sebesség	20 kbit/s
Maximális vezetékhossz	15 méter (≤20kbit/s, 2500pF kábelkapacitás)
Meghajtó
A meghajtó kimenetére köthető megengedett feszültségtartomány	±25V maximum
A meghajtó kimeneti feszültsége	±5V minimum, ±15V maximum
A meghajtó kimeneti jelváltozási sebessége	30V/µs maximum
Vevő
A vevőáramkör megengedett bemeneti feszültségtartománya	±25V maximum
A vevőáramkör érzékenysége	±3V
A vevőáramkör logikai jelszintjeinek tartománya	logikai 0 ("space"): 3V..15V logikai 1 ("mark"): -15V..-3V
A vevőáramkör bemeneti ellenállása	3kΩ..7kΩ

Az adatátviteli sebesség viszonylag alacsony, a jelváltozási sebesség szándékosan korlátozott is, így a gyors váltásokhoz köthető visszaverődések elkerülhetők. Ennek köszönhetően nincs különösebb megkötés a kábelre, a kapacitás lehet szempont az elérhető adatátviteli sebesség szempontjából. Alacsonyabb kapacitás akár hosszabb kábelt vagy nagyobb adatátviteli sebességet is jelenthet.

Az integrált áramköri megoldások ma már 5V vagy 3.3V tápfeszültségről is működőképesek, mivel az RS-232 logikai szintekhez szükséges tápfeszültségeket is előállítják kapcsolt kapacitású feszültségkonverterekkel. Ezt illusztrálja az alábbi ábra:

Az RS-232 transceiver áramkörök széles választéka érhető el, sebességük akár több száz kbit/s is lehet.

RS-485

Az RS-485 szabvány (TIA/EIA-485-A Standard) differenciális jelátvitelt határoz meg, amely több adó-vevő egység csatlakoztatását is megengedi ugyanarra a vezetékpárra. A kommunikáció a vezetékpáron kétirányú lehet (half-duplex), ami miatt a meghajtó- és vevőáramkörök is kikapcsolhatók.

A szabvány főbb jellemzőit a következő táblázat sorolja fel.

Jellemző	Érték
Maximális vezetékhossz	1200 méter
Vezetéket lezáró impedancia	120Ω
Meghajtó és vevőáramkörök megengedett száma egy vezetéken	32
Maximális adatátviteli sebesség	10 Mbit/s
Meghajtó
A meghajtó kimenetére köthető megengedett feszültségtartomány	-7V és +12V között
A meghajtó kimeneti feszültsége	±1.5V mininum (54Ω terhelés mellett), ±5V maximum
Vevő
A vevőáramkör megengedett bemeneti feszültségtartománya	-7V és +12V között
A vevőáramkör érzékenysége	±200mV
A vevőáramkör logikai jelszintjeinek tartománya	logikai 0 ("space"), A=H, B=L: VA-VB > 200mV logikai 1 ("mark"): A=L, B=H: VA-VB < -200mV
A vevőáramkör bemeneti ellenállása	12kΩ minimum

Az adatátviteli sebesség függ a kábelhossztól, amit az alábbi grafikon szemléltet:

A modernebb integrált áramkörök a szabványban megadott legnagyobb adatátviteli sebességnél jóval gyorsabb átvitelt is biztosíthatnak, akár 100Mbit/s értékig. Elterjedten 20Mbit/s a gyakorlatban feltételezett érték.

Az integrált áramköri megvalósítás egy tokban tartalmaz egy meghajtót és egy vevőt:

Az A és B kivezetések csatlakoznak a kábelre, a baloldali kivezetések CMOS/TTL jelek. A vevő engedélyező bemenete (RE) negatív, a meghajtóé (DE) pozitív logikájú. A tápfeszültség 5V és 3.3V is lehet.

A lehetséges összekötésre mutat példát a következő elrendezés:

A kábelek végpontjainál lezáró ellenállásokra van szükség a visszaverődések elkerülése érdekében, melyek szabványos értéke 120Ω a kábelhez illeszkedően. Közbülső pontokon több rövid leágazás lehetséges, így több egység vehet részt a kommunikációban. A kommunikációs protokoll többféle is lehet (pl. Profibus, Modbus).

A lezárást gyakran az alábbi formában oldják meg (failsafe biasing):

Ez biztosítja azt, hogy a jelek mindig biztonságos tartományban vannak akkor is, ha egyik áramköri meghajtó sincs engedélyezett módban. Az ekvivalens lezáróimpedancia értékét R1 és R3 soros eredőjének R2-vel vett párhuzamos eredője adja meg:

LVDS - low voltage differential signaling

A gyors processzorok és nagymennyiségű adat valós idejű feldolgozásához fejlesztették ki az alacsony feszültséggel működő differenciális jelátvitelt (LVDS, TIA/EIA-644 szabvány) elsősorban a processzor és perifériák (pl. monitor, háttértároló) közötti nagysebességű (>155Mbit/s, akár 2Gbit/s értékekig) adatcsere megoldására.

Az elv és felépítés hasonló az RS-485 esetéhez. A tápfeszültség 2.5V vagy 3.3V, a közös módusú jel 1.2V körüli. A jelek változása a két logikai érték közötti átmenetek során 250mV és 450mV közötti értékű, a közös módusú értékhez képest tipikusan ± 200mV-nak vehető. A vevő érzékenysége ±100mV. A kábelhossz pár méter lehet, 100Ω lezáróellenállást igényel. A nagy adatátviteli sebesség mellett előny az igen alacsony fogyasztás is.

Differenciális nagysebességű átvitelnél az úgynevezett szemábrával (eye diagrammal) szokták jellemezni a jelminőséget. Oszcilloszkópon többször kirajzolva a jelalakokat szem alakú görbe látható, melynek felfutási ideje, időbeli bizonytalansága is láthatóvá tehető. Az alábbi ábra egy mért jelalakot mutat.

Hasonló elven működnek az USB, HDMI interfészek is.

Ethernet

Az Ethernet kábelek sodrott érpárainak meghajtása transzformátorokkal történik. A transzformátorok gyakran az RJ45 csatlakozó részei. A transzformátorok egyben galvanikus leválasztást biztosítanak. A kábelen tápfeszültség is átvihető (power over Ethernet).