Proudové snímače s digitálním výstupem

Společnost LEM zavádí novinky ve snímání proudu a vyvíjí snímače s digitálním výstupem a rozhraním pro modulaci sigma-delta.

Proč digitální výstup?

Již před pár lety zaznamenalo oddělení prodeje a marketingu společnosti LEM první náznaky nového technologického trendu, když někteří z předních výrobců OEM (Original Equipment Manufacturers) v oblasti servopohonů a robotiky začali zvažovat, že by ve svých systémech přestali využívat analogová rozhraní.

Tento trend byl stimulován vývojem kontrolérů, které lze považovat za mozky strojů a zařízení. Jejich funkce jsou obvykle realizovány zcela digitálně, zatímco pro spojení s vnějším světem se využívají analogově-digitální převodníky (A/D). Ani to už ale nemusí být pravda, když A/D převodníky z nových kontrolérů mizí, protože zákazníci budou vyžadovat proudové snímače s digitálním výstupem, které by mohli snadno připojit ke svým novým MCU. Důležitou výhodou digitálního rozhraní je také to, že je méně citlivé na elektromagnetické rušení.

Definování a vývoj produktů založených na nových technologiích je dlouhý a složitý proces a nelze si tedy dovolit, aby byl neúspěšný. Po dokončení komplexního průzkumu, který během roku 2013 provedly marketingové a výrobní týmy společnosti LEM, zahájilo oddělení výzkumu a vývoje (R&D) vývoj snímače s Hallovou sondou s otevřenou smyčkou na bázi specializovaného obvodu ASIC. Analogově-digitální konverze je realizována pomocí modulátoru sigma-delta, který je součástí obvodu a poskytuje výstup jednobitového A/D převodníku. První prototyp nových snímačů proudu byl pro vybranou skupinu zákazníků k dispozici koncem roku 2015. Jelikož byla zpětná vazba kladná, představila společnost LEM tyto nové produkty na mezinárodním veletrhu výkonové elektroniky a inteligentní techniky PCIM Europe 2016 v Norimberku, kde tato nová technologie zaujala hned několik dalších zájemců.

Obr. 1 HLSR 50-PW, digitální verze úspěšného snímače HLSR 50-P (s analogovým výstupem)

Produkty

Společnost LEM navrhla několik verzí úspěšných snímačů proudu využívajících Hallův jev s otevřenou smyčkou řady HO a HLSR, které byly vybaveny digitálním výstupem. Tyto nové produkty poslouží při měření v rozsahu 10 A_RMS, 32 A_RMS, 50 A_RMS, 80 A_RMS, 100 A_RMS, 120 A_RMS, 150 A_RMS, 200 A_RMS a 250 A_RMS, jsou k dispozici ve třech různých mechanických provedeních, včetně možnosti montáže na desku plošného spoje či panel, a poskytují až 12bitové rozlišení s šířkou pásma 20 kHz. Jednobitový výstup minimalizuje požadavky na propojení, znamená vyšší kompaktnost snímačů a digitální výstup zase uživatelům umožňuje výběr digitálního filtru v závislosti na aplikaci tak, aby bylo možné optimalizovat rozlišení a dobu odezvy. Digitální výstupy budou navíc značně odolné vůči rušení v náročných podmínkách.

Obr. 2 Převod analogového signálu na digitální s modulátorem ∑Δ

Digitální rozhraní

Na výstupu snímače je bitový tok, ve kterém hustota „1“ závisí na měření proudu – viz obr. 2. Přenosová funkce na obr. 3 vše zachycuje na stupnici od 0 do 1 a stejný výstup s filtrem reprezentovaným jako 16bitové slovo na stupnici od 0 do 65 535 (desítková soustava). V další části si o možnostech filtrování řekneme více. Obr. 3 ukazuje též ekvivalentní výstup z analogového snímače. Stejně jako v jeho případě máme rozsah měření nových čidel v rozmezí ±I PM , což také odpovídá rozsahu 0,1 až 0,9.

Obr. 3 Přenosová funkce

Digitální filtr je realizován uživatelem (obr. 4). Výhoda spočívá v tom, že počet vodičů ke snímači je minimalizován, vývojář si může zvolit, jaký filtr či filtry budou pro jeho aplikaci nejvhodnější, a vybrat výstupní formát tak, aby co nejlépe odpovídal požadavkům jeho systému.

Obr. 4 LEM poskytuje výstup bitového toku

Výběr a provedení filtru

Jakýkoliv převod analogového signálu na digitální zahrnuje kvantování a chybu, která reprezentuje rozdíl mezi digitálním signálem a přesnou hodnotou analogového signálu a je ekvivalentem přidání šumu. Výstup z modulátoru sigma-delta je více než jen bitový tok s určitou hustotou „1“ a „0“; sekvence bude utvářena takovým způsobem, aby se kvantovací šum posunul do vyššího pásma, než je kmitočtové pásmo, v němž probíhá měření proudu. Uživatel pak bitový tok zpracuje v digitálním filtru, který vysokofrekvenční šum odstraní. Jako v případě každého filtru můžeme pro optimalizaci výsledků provést některé kompromisy i zde – např. užší pásmo znamená nižší úroveň šumu (nebo vyšší rozlišení), ale na úkor doby odezvy a naopak.

V příkladu na obr. 5 je bitový tok zpracován dvakrát:

·         v 20kHz filtru, který poskytuje 12bitové rozlišení pro přesné měření primárního proudu;

·         v širokopásmovém filtru pro detekci nadproudů s dobou odezvy 5 μs.

Obr. 5 Příklady, jak OSR a řád filtru ovlivňují dobu odezvy a rozlišení

Mimoto výstup vnitřního snímače OCD (Over Current Detect) umožňuje detekci zkratu s dobou odezvy pouhých 2,7 μs.

Bity jsou v digitálním filtru zpracovávány postupně jeden po druhém. Díky poměru převzorkování (OSR) může být na výstupu zpracován každý bit beze ztráty informací v měřeném kmitočtovém pásmu.

Latence filtru závisí do značné míry na jeho základních vlastnostech: pro filtr sinc2 je výstup zpožděn 2 × OSR × perioda hodin, zatímco pro získání přesného výstupu po skokové odezvě bude s filtrem sinc3 obvykle potřeba 3 × OSR × perioda hodin. Přenosová rychlost na výstupu nových senzorů společnosti LEM činí 10 Mb/s. Kombinace OSR, vybraného filtru a přenosové rychlosti určuje časovou odezvu, šířku pásma a efektivní rozlišení každé signálové cesty – viz tabulka 1 (HO 150-NPW).

Rozlišení celého systému zahrnující analogovou část převodníku, modulátor sigma-delta a digitální filtr limituje buď vlastní kvantizační šum, nebo analogový šum Hallových prvků a zesilovačů. Pro krátké doby odezvy (např. s OSR 16 a filtrem sinc2) je rozlišení definováno systémem a bude stejné s jakýmkoliv snímačem. Změníme-li filtr na sinc3 a zvyšujeme OSR, poroste i rozlišení, které však bude v závislosti na citlivosti snímače omezeno analogovým šumem na 11–13 bitů. Pojem „efektivní rozlišení“ se používá z toho důvodu, že praktický systém může mít filtr s výstupním slovem v délce max. 16 bitů nebo 2 × 8 bitů. Nicméně pouze nejvýznamnější bity odpovídají efektivnímu rozlišení, které obsahuje užitečné informace, méně významné bity odpovídají šumu.

Výstup digitálního filtru je obvykle vzorkován na kmitočtu, který se rovná podílu přenosové rychlosti a OSR, což se označuje jako decimace. Pokud je u snímačů společnosti LEM nastaveno OSR na hodnotu 64, výstup se aktualizuje každých 6,4 μs.

Fyzická rozhraní

Pro přenos bitového toku poskytuje firma LEM možnost výběru mezi dvěma fyzickými rozhraními, a to CMOS se společnou zemí a Manchester RS422 . V obou případech je přenosová rychlost 10 M b/s.

CMOS se společnou zemí

Synchronizační a datový signál dostáváme jako úrovně CMOS se společnou zemí (Uc a GND). Takové rozhraní je vhodné pouze pro přenos na krátké vzdálenosti, tj. na několik desítek centimetrů, u delších vedení již nastávají problémy s EMC.

Maximální dovolená kapacitní zátěž je 30 pF. Rozhraní snímače a jeho časový diagram vidíme v tabulce 2 a na obr. 6.

Obr. 6 Výstup v úrovni CMOS se společnou zemí

Manchester RS422

Rozhraní Manchester RS422 je naopak vhodné pro přenos na delší vzdálenosti. Synchronizační a datový signál máme spojeny v rámci kódování Manchester a výstup na snímači se realizuje prostřednictvím vývodů 3 a 4. Takto vytvořený diferenciální (rozdílový) signál bude kompatibilní se standardem RS422. Díky tomu, že jsou obě signálové cesty fyzicky blízko, je vliv EMC na vysílání a také příjem velmi nízký. Zapojení vývodů a časové diagramy jsou v tabulce 3 a na obr. 7.

Obr. 7 Data vysílaná v kódování Manchester

Závěr

Budoucnost snímačů s digitálním výstupem bude rozhodně zajímavá. Tento nový technologický trend se přitom netýká pouze nové řady proudových čidel od firmy LEM určených do průmyslových podmínek. Zpětná vazba od zákazníků totiž ukazuje, že na digitální rozhraní přejde významná část trhu v oblasti špičkových servopohonů a lze tedy očekávat, že tuto cestu budou následovat i další segmenty. Průmyslové komponenty se postupně stávají plně digitální a společnost LEM ukazuje způsob, jak toho co nejlépe dosáhnout.