Преобразование частотных сигналов в сигналы токовой петли обеспечивает экономически выгодное решение для промышленных приложений.
В системах управления производственными процессами часто используется несколько двигателей. Их частота вращения контролируется тахометрами с помощью магнитных датчиков, расположенных на зубчатых колесах, установленных на валах двигателей. Тахометры генерируют импульсы, частота которых пропорциональна частоте вращения. Локальное измерение скорости обычно осуществляется с помощью счетчиков/таймеров с отображением результатов на светодиодных или ЖК-дисплеях.
Для регистрации этих скоростей в программируемых логических контроллерах (ПЛК) и более сложных распределенных системах управления (РСУ), расположенных в пультовом помещении, применяются специальные модули, содержащие дорогостоящие счетчики/таймеры. Для передачи этих импульсных сигналов в пультовое помещение необходимы экранированные кабели, поскольку они могут создавать помехи в соседних кабелях, передающих обычные аналоговые сигналы. Такой подход является дорогостоящим. Более экономичным альтернативным решением было бы преобразование каждого частотного сигнала в ток петли 4-20 мА и передача его в пультовое помещение по менее дорогим кабелям, например, тем, которые используются для передачи аналоговых сигналов. Схема на Рисунке 1 делает именно это.
 | |
| Рисунок 1. | В одном положении переключателя SW1 эта схема преобразует частотные сигналы 0–5 кГц в ток петли 4–20 мА. В другом положении схема преобразует напряжение 0–5 В в ток петли 4–20 мА. |
Рассматриваемая здесь схема преобразования частоты в напряжение основана на стандартной для отрасли микросхеме LM2907. Эта микросхема широко используется в автомобильной промышленности, поэтому она легкодоступна и дешева. Для установления основной зависимости между частотой и напряжением требуются всего три компонента. Для преобразования частоты в напряжение используется схема зарядового насоса.
- Выходное напряжение микросхемы равно VCC×F×R×C. (На Рисунке 1 R = R5, C = C4). F – частота импульсов.
- Регулятор U2 включен так, чтобы его выходное напряжение, подаваемое на схему, составляло 12 В.
- При напряжении питания VCC, равном 12 В, и подстановке номиналов компонентов, указанных в схеме, выходная крутизна преобразования частоты составит 0.264 В/кГц.
Точные номиналы элементов R5 и C4 не требуются; достаточно приблизительных значений. Сигнал усиливается каскадом U1B таким образом, чтобы при настройке потенциометра RV1 получить соотношение между напряжением и частотой, равное 1 В/кГц. Конденсатор C5 сглаживает пульсации; увеличение его емкости повышает эффективность фильтрации, но одновременно увеличивает время отклика. Часть схемы, окружающая микросхему U3, преобразует частоту от 0 до 5 кГц в напряжение от 0 до 5 В.
Оставшаяся часть схемы преобразует сигнал 0-5 В в ток петли 4-20 мА. Резистор R2 задает «нулевой» ток 4 мА. Если резистор с требуемым номиналом отсутствует, R2 можно заменить потенциометром. Резистор R13 устанавливает диапазон изменения тока. Опять же, при отсутствии нужного номинала его можно заменить потенциометром.
Сумма токов, проходящих через резисторы R2 и R13, должна быть равна току, проходящему через R4, поскольку эти токи приходят на неинвертирующий вход операционного усилителя U1A, инвертирующий вход которого заземлен. Подробное описание преобразователя тока петли с определяющими формулами можно найти в моей более ранней статье «Преобразователь тока источника 0-20 мА в ток петли 4-20 мА» [1].
Дополнительным преимуществом этой схемы является возможность преобразования напряжения 0-5 В в ток петли 4-20 мА путем подключения переключателем SW1 альтернативного входа 0-5 В. Выходные сигналы 0-5 В вырабатывают многие промышленные датчики и передатчики для представления контролируемых ими параметров. Эта схема может быть использована для удобного подключения таких датчиков и передатчиков к ПЛК и РСУ. Линейность и точность в основном определяются характеристиками микросхемы LM2907. Моделирование этой схемы показывает точность лучше ±5%.