Akım sinyali neden uzun analog iletim için bir voltaj sinyaline tercih ediliyor?


18

Bazı sensörler akım kaynakları gibi davranıyor ve birkaç kez gördüm, özellikle rüzgar kanatları gibi dış mekanlarda bile çok uzun teller için. Örneğin 0-10 V voltaj yerine 4-20 mA akım döngüleri kullanılır.

Bunun fiziksel açıklaması ne olabilir? Akım nasıl daha avantajlıdır?

(Ayrıca EMI etkileşimi açısından, mevcut bir döngü sinyalinin daha bağışıklık olup olmadığını ve nedenini merak ediyorum.)

Lütfen bu konsepti devre şemalarını, bazı bileşenlerle birlikte gerilim akım kaynaklarını kullanarak açıklayınız. Her iki durumda da ortak mod parazitinin nasıl bağlandığı ve bir akım döngüsünün neden gürültüye bağışık olmadığı.

DÜZENLE:

Cevapları okuduktan sonra, anladığım şey (simülasyon diyagramlarını ve karşılık gelen grafikleri görmek için tıklayın):

resim açıklamasını buraya girin

Tüm senaryolarda ortak mod Vcm paraziti uyguluyorum.

İlk üst şekilde, 1Giga Ohm empedanslı bir akım kaynağı, dengesiz / dengesiz bir kablo yoluyla iletilir ve alıcı tek uçlu olsa bile , çıkış gürültüye bağışıktır. (1G Ohm gürültüyü küçükleştirir, bu Rcur ne kadar az olursa alıcıdaki gürültü o kadar fazla olur)

Orta şekilde bir voltaj kaynağı dengesiz bir kablo ile iletilir ve alıcı tek uçludur , çıkış çok gürültülüdür.

Alttaki şekilde bir voltaj kaynağı dengeli bir kablo ile iletilir ve alıcı diferansiyel uçludur ve ortak mod gürültüsü ortadan kaldırılır.

Sonuç / simülasyonum bu soruyu temsil etmek için doğru mu?


2
Çoğunlukla gürültü bağışıklığı ve tel voltajı düşme toleransı.
KalleMP

1
@KalleMP "Daha fazla bilgi istemek veya iyileştirme önermek için yorumları kullanın. Yorumlardaki soruları yanıtlamaktan kaçının." kısa cevaplar için de geçerlidir.
boru

2
Diğer bir önemli nokta, 4-20mA'nın sensöre güç sağlamak için her zaman 4mA'ya sahip olmasıdır. 2 telli, uzaktan kumandalı, yalıtılmış bir sensördür. Bu, mevcut döngü yönünden oldukça gürültü avantajları sağlar.
Henry Crun

1
Başka bir not, 4-20ma sinyalli bir kablo kopması olduğunu tespit edebilmenizdir.
MadHatter

"Sonuç / simülasyonum bu soruyu temsil etmek için doğru mu?" Sanırım 3. örnek çok iyi görünüyor çünkü alıcı amplifikatörünüzün CMR'si (neredeyse) mükemmel. CMR o kadar iyi olmasaydı (daha gerçekçi), çıkışı 1. örnekte olduğundan daha kötü olurdu.
Lor

Yanıtlar:


37

Aslında gürültüye karşı bağışıklık için önemli olan , singal'i rahatsız etmek için gereken güçtür .

Yani neredeyse sıfır empedanslı bir girişteki akım sinyali, neredeyse sonsuz empedanslı bir girişteki voltaj sinyali kadar kötüdür.

Gerekli olan, sıfır olmayan ve sonsuz empedanslı bir alıcıdır, böylece sinyal bir miktar güç içerir .
yani

  • eğer bilgi voltaj olarak kodlanmışsa, yine de alıcıya bir miktar akım akmalıdır ve
  • bilgi akım olarak kodlanmışsa, alıcıda hala bir miktar voltaj olmalıdır.

Yani her iki durum da benzerdir, ancak sinyali voltaj veya akım olarak kodlamanın daha iyi olup olmadığına karar vermiş olursunuz (başka bir alternatif güç olarak kodlanır). Ölçüm amaçları için voltaj veya akım sinyalleri en uygun olanıdır.

Akım sinyali için iyi bir telin, hiçbir akımın kaybolmamasını (veya sokulmamasını), yani ideal olarak sızıntı olmamasını, yani mükemmel izolasyonun olmasını sağlaması gerekir. Bu, pratikte oldukça iyi bir şekilde gerçekleştirilebilir.

Voltaj sinyali için iyi bir telin, hiçbir voltajın kaybolmamasını, yani ideal olarak voltaj düşüşünün olmaması, tel boyunca mükemmel iletkenliğin sağlanması gerekir. Bir süperiletken kullanmadığınız sürece, pratikte bunu başarmak neredeyse imkansızdır.

şematik

bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik

Her durumda, alıcı direnci 0'ın çok üzerinde ve sonsuzluğun çok altında olmalıdır.
İzolasyon direncinin pratik olarak sonsuz olması kolaydır.
0 serisi dirence sahip olmak neredeyse imkansız.

Bu nedenle, sinyalin bir kablo boyunca belirli bir mesafeye gönderilmesi gerekiyorsa, akım sinyalini voltaj sinyalinden daha iyi kullanmak daha iyidir.


1
Akım döngüsünü kullanmanın tek sebebinin, eğer voltaj kullanırsak uzun kablolar söz konusu olduğunda voltaj düşmesinin bir sorun olacağıdır. EMI veya ortak mod gürültüsü açısından ne dersiniz? Aynı bükülmüş blendajlı çift kullanılırsa biri diğerinden üstün mü?
cm64

1
EMI bir voltaj indükleyebiliyorsa, alıcı empedansı tarafından bir akıma dönüştürülecek ve akım sinyalini bir voltaj singalını etkileyeceği gibi etkileyecektir. Önemli olan tek şey bir fark yaratmak için gereken güç.
Lor

İki sistem için bir voltaj kaynağı ve akım kaynağı ve bazı dirençler kullanarak söylediklerinizi açıklayabilir misiniz? cümleleri benim için hayal etmek zor.
cm64

Her iki durumu da (akım / gerilim kaynağı) çizmenin çok yardımcı olmadığını düşünüyorum çünkü sinyal kaynağının bir akım mı yoksa gerilim kaynağı mı (Thevenin kaynağı veya Norton kaynağı) olması önemli değil çünkü ikisi de eşdeğer. Bununla birlikte, önemli olan, telin direnci yoksa, sinyalin akım veya voltaj olarak kodlanmasıdır.
Lor

Bu bir voltaj kaynağı mı? Bu sonsuz dirençler nelerdir? Neden fazla örtük?
cm64

14

Akım, bir iletkenin tüm kısımlarında eşit olması bakımından harikadır. Yani bir taraftan 15 mA içeri itiyorsanız, diğer taraf 200 m uzakta olsa bile 15 mA görüyor. Bu algılanması çok kolaydır ve veri iletimini güvenilir kılar.

Aynı şey voltaj için de geçerli değildir. İletkeninizin empedansı yüksek ve elektrik paraziti varsa, giriş voltaj sinyaliniz bozulur ve geçerli bir voltaj diğer tarafa ulaşmayabilir.

Gürültü bağışıklığı, akım döngülerinin düşük empedanslı bir sistem olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bunun neden önemli olduğuna bakın: Yüksek empedans devreleri neden gürültüye daha duyarlıdır?


Her türlü EMI veya ortak mod parazitinden voltaj sinyaline göre daha iyi mi olacak?
cm64

@ cm64 see my edit
Makoto

İletkenin izolasyonu yoluyla kaçak akım ihmal edilebilecek kadar küçük olmalıdır.
Uwe

1
hala mevcut döngü gürültü daha az bağışıklık nasıl alamadım
cm64

2
@Makato sabit akım kaynakları yüksek empedanslıdır. Döngüyü kablo R'ye bağışıklık yapan şey
budur.Alıcı

7

Güncel sinyallemenin farklı durumlarda farklı avantajları vardır, bu nedenle birkaç farklı cevap vardır.

Düşük frekanslı sinyalleme durumunda.

Sabit akım kaynağı (gönderen) çok yüksek bir empedansa sahiptir (ve bir CV'nin çok düşük bir empedansı vardır). Yani oldukça yüksek bir seri direnç koyduğunuzda, bunun bir etkisi yoktur: CC kaynağı zaten süper yüksektir, birkaç yüz / bin ekstra ohmun ne etkisi olacaktır? Aynı şekilde, gürültüyü kabloya (C1,2) bağladığınızda, yüksek kaynak R, her iki kablonun birlikte yukarı ve aşağı gittiği anlamına gelir - ortak mod gürültüsüdür ve akım üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Bu arada alma ucunun düşük bir R değeri vardır. Bu, kapasitif olarak bağlanmış gürültüyü azaltır ve sağlamdır.

Gerilim sistemi tam tersidir. Kaynak çok düşük empedansa sahip olmalıdır. R serisi önemli olacak. Rx'in çok yüksek giriş empedansı olması gerekir veya bir voltaj bölücü elde edersiniz. Kapasitif olarak gürültüyü toplar ve hasara eğilimlidir. Kapasitif olarak enjekte edilen gürültü RSource üzerinden akar ve alıcıda diferansiyel voltajlar elde edersiniz.

şematik

bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik

Yüksek frekanslı sinyalleme durumunda (örn. Video)

Akım döngüsü temelde kablonun her iki tarafında sabit gerilime sahiptir. Bu nedenle kablo boyunca kapasitans herhangi bir akım geçirmez ve herhangi bir etkisi yoktur. Sinyal C kablosuna bağışıktır ve gürültüden ve emi'den korumak için ilave C'ye bağışıktır. C'nin sürülmesi gerekmediğinden çok daha az güç kullanılır.


1
Bunu takip etmek çok daha kolay. Fakat mevcut döngüdeki Rsource mevcut kaynağa paralel olmamalı mı? qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-3fdb4e6f9d02023a7235d50600f91031
cm64

Im geçerli döngü yapılandırmada ortak mod gürültü neredeyse ortadan kaldırıldı anlamaya çalışıyorum. Temel olarak ilk diyagramınıza odaklanın. Önce Rsource'un doğru olup olmadığından emin olmak istedim.
cm64

1
Ayrıca, voltaj sinyali için tanımladığınız gibi empedans köprülü bir konfigürasyon ... muhtemelen iyi SNR elde etmek için POWER kullanımı ile ilgili başka bir cevapta söylenenlerden şaşkına düşer.
rackandboneman

Bu sadece bir fikir: Rsource, I1'in kendisinin bir özelliğidir. I vs Rload eğrisini çiziyorsanız ve Rsource'ı çizginin eğiminden hesaplarsanız hesapladığınız şey budur. Her zaman tamamen aynı olduğum için, Rsource'un sonsuz olduğunu hesaplıyorsun
Henry Crun

3

Endişe ettiğim kadarıyla, bunlar birkaç durumda mevcut döngüleri seçmenin iki ana nedenidir:

  • Kablolarınızın uzunluğunu / direncini umursamazsınız. 3m'lik bir teli 50m'lik bir tel ile değiştirebilirsiniz, direncini değiştirirsiniz, sinyal aynı olacaktır (kaynak elbette yeterli voltaj / güç sağlayabildiği sürece).
  • Hasarı ve arızayı tespit edebilirsiniz. 0mA alırsanız, ya sensörünüz ya da teliniz bozulur. Gerilim döngüleri ile anlaşılması kolay değildir.

EMI hakkında, çoğu zaman etkilemez. EMI genellikle (çok) yüksek frekanslarda gelir, sinyal değişikliklerinizden çok daha hızlıdır, böylece filtreleyebilirsiniz.

Ayrıca, bunun 3-15psi aralığının kullanıldığı eski pnömatik kontrol sistemleri ile ilgili olduğu görülmektedir.


1

Analog sinyallerle ilgili hatırlanması gereken başka bir şey, HART iletişim protokolünü entegre etme yeteneğidir. HART (Otoyol Adresli Uzaktan Verici), aynı kablo üzerinden ek bilgilerin gönderilmesine izin veren analog sinyalin üzerine yerleştirilmiş dijital bir sinyaldir. Günümüzde çoğu akıllı endüstriyel alet HART özelliğiyle çalışmaktadır. Yani faydalar sadece voltaj düşüşü ve EMI'den çok daha büyüktür.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.