Почему текущий сигнал предпочтительнее сигнала напряжения для длительной аналоговой передачи?

18

Некоторые датчики действуют как источники тока, и я видел это несколько раз, особенно для очень длинных проводов даже на улице, как лопасти ветра. Например, вместо напряжения 0-10 В используются токовые петли 4-20 мА.

Что может быть физическим объяснением этого? Насколько ток выгоднее?

(Мне также интересно с точки зрения помех от электромагнитных помех, является ли сигнал токовой петли более устойчивым и почему.)

Пожалуйста, объясните эту концепцию, используя схемы, источники напряжения тока с некоторыми компонентами. Как синфазные помехи связаны в обоих случаях и т. Д. И почему токовая петля невосприимчива к шуму.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

После прочтения ответов вот что я понимаю (нажмите, чтобы увидеть диаграммы моделирования и соответствующие графики):

Я применяю синфазные помехи Vcm во всех сценариях.

На первом верхнем рисунке источник тока с импедансом 1 Гигабайта передается через несимметричный / несимметричный кабель, и даже приемник является односторонним выход невосприимчив к шуму. (1G Ом делает шум малым, чем меньше этот Rcur, тем больше шум на приемнике)

На средней фигуре источник напряжения передается по несбалансированному кабелю, а приемник однополюсный , на выходе очень шумно.

На нижнем рисунке источник напряжения передается через симметричный кабель, а приемник имеет дифференциальное соединение , и синфазный шум исключается.

Правильно ли мое заключение / симуляция для представления этого вопроса?

voltage

— cm64
источник

2

Преимущественно помехоустойчивость и устойчивость к падению напряжения на проводе.

— KalleMP

1

@KalleMP «Используйте комментарии, чтобы запрашивать дополнительную информацию или предлагать улучшения. Избегайте ответов на вопросы в комментариях». также применяются к коротким ответам.

— труба

2

Другим ключевым моментом является то, что 4-20 мА всегда имеет 4 мА для питания датчика. Это 2-проводной, дистанционный, изолированный датчик. Это дает ему преимущества по шуму, не говоря уже о аспекте токовой петли.

— Генри Крун

1

Еще одно замечание: вы можете обнаружить обрыв провода с сигналом 4-20 мА.

— MadHatter

«Верно ли мое заключение / симуляция для представления этого вопроса?» Я думаю, что третий пример выглядит так хорошо, потому что CMR вашего приемного усилителя (почти) идеален. Если CMR не так хорош (более реалистичен), его выход будет хуже, чем в первом примере.

— Творог

37

На самом деле для невосприимчивости к шуму важна сила , необходимая для нарушения сингала.

Т.е. токовый сигнал на входе с почти нулевым сопротивлением такой же плохой, как сигнал напряжения на входе с почти бесконечным сопротивлением.

Требуется приемник с ненулевым, а также с бесконечным импедансом, чтобы сигнал имел некоторую мощность .
Т.е.

если информация закодирована как напряжение, в приемник все равно должен поступать ток
если информация закодирована как текущая, на приемнике все равно должно быть некоторое напряжение.

Таким образом, оба случая схожи, но вы просто должны решить, лучше ли кодировать сигнал как напряжение или как ток (другой вариант будет закодирован как мощность). Для целей измерения наиболее подходящими являются сигналы напряжения или тока.

Хороший провод для токового сигнала просто должен гарантировать, что ток не будет потерян (или вставлен), т.е. в идеале нет утечки, то есть идеальная изоляция. Это может быть достигнуто на практике довольно хорошо.

Хороший провод для сигнала напряжения должен гарантировать, что напряжение не будет потеряно, т.е. в идеале не должно быть падения напряжения, идеальная проводимость вдоль провода. Если вы не используете сверхпроводник, это практически невозможно сделать на практике.

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

В любом случае сопротивление приемника должно быть значительно выше 0 и намного ниже бесконечности.
Легко иметь сопротивление изоляции практически бесконечным.
Практически невозможно иметь последовательное сопротивление 0.

Поэтому, если сигнал должен быть отправлен на некоторое расстояние вдоль провода, лучше использовать сигнал тока, чем сигнал напряжения.

— творог
источник

1

Вы говорите, что единственная причина использования токовой петли заключается в том, что если мы используем напряжение, то падение напряжения будет проблемой, когда речь идет о длинных кабелях. Как насчет электромагнитных помех или синфазного шума? Является ли одно преимущество над другим, если используется та же витая экранированная пара?

— cm64

1

Если EMI может индуцировать напряжение, оно будет преобразовано в ток посредством полного сопротивления приемников, и это повлияет на сигнал тока так же, как это повлияет на сигнал напряжения. Все, что имеет значение, - это сила, необходимая для изменения ситуации.

— Творог

Можете ли вы объяснить, что вы говорите, используя источник напряжения и ток, а также некоторые резисторы для двух систем? Трудно представить предложения для меня.

— cm64

Я думаю, что рисование обоих случаев (источник тока / напряжения) мало помогает, потому что не имеет значения, является ли источник сигнала источником тока или напряжения (источник Тевенина или источник Нортона), потому что оба они эквивалентны. Однако важно, если сигнал закодирован как ток или напряжение, если провод не имеет нулевого сопротивления.

— Творог

Это источник напряжения? Что это за бесконечные сопротивления? Почему слишком скрытый?

— cm64

14

Ток велик тем, что он равен всем частям проводника. То есть, если вы нажимаете 15 мА с одной стороны, другая сторона видит 15 мА, даже если она находится на расстоянии 200 м. Это очень легко почувствовать и делает передачу данных надежной.

То же самое не относится к напряжению. Если ваш проводник имеет высокий импеданс и имеет электрические помехи, то ваш сигнал входного напряжения будет ухудшаться, и действительное напряжение может не достигать другой стороны.

Невосприимчивость к помехам обусловлена тем фактом, что токовые петли являются системой с низким сопротивлением. Вот почему это важно: почему цепи с высоким импедансом более чувствительны к шуму?

— Makoto
источник

Будет ли он лучше защищен от всевозможных электромагнитных или синфазных помех лучше, чем сигнал напряжения?

— cm64

@ cm64 см. мое редактирование

— Макото

Ток утечки через изоляцию проводника должен быть настолько мал, чтобы его можно было пренебречь.

— Уве

1

я до сих пор не понимаю, как токовая петля менее невосприимчива к шуму

— cm64

2

Источники постоянного тока @Makato имеют высокое сопротивление. Это то, что делает петлю невосприимчивой к кабелю R. Приемник имеет низкий R, и это помогает емкостно связанному шуму

— Генри Крун

7

Текущая сигнализация имеет разные преимущества в разных ситуациях, поэтому есть несколько разных ответов.

В случае низкочастотной сигнализации.

Источник постоянного тока (отправитель) имеет очень высокий импеданс (а источник CV имеет очень низкий импеданс). Поэтому, когда вы добавляете достаточно высокое последовательное сопротивление, это не имеет никакого эффекта: источник CC уже сверхвысок, какой эффект даст несколько сотен / тысяч дополнительных Ом? Аналогично, когда вы подключаете шум к кабелю (C1,2), высокий источник R означает, что оба провода идут вверх и вниз вместе - это синфазный шум и не влияет на ток. Между тем, на приемном конце низкий R. Это подавляет шум, связанный с емкостной связью, и является устойчивым.

Система напряжения противоположна. Источник должен иметь очень низкий импеданс. Серия R будет иметь значение. Прием должен быть очень высоким входным сопротивлением, иначе вы получите делитель напряжения. Он будет емкостно поглощать шум и будет подвержен повреждениям. Емкостный ввод шума проходит через RSource, и вы получаете дифференциальные напряжения на приемнике.

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

В случае высокочастотной сигнализации (например, видео)

Токовая петля имеет в основном постоянное напряжение на обеих сторонах кабеля. Поэтому емкость по кабелю не пропускает ток и не оказывает никакого влияния. Сигнал невосприимчив к кабелю C, и невосприимчив к добавлению дополнительного C для защиты от шума и электромагнитных помех. Гораздо меньше энергии используется, так как С не нужно управлять.

— Генри Крун
источник

1

Это намного легче следовать. Но не должен ли Rsource в текущем цикле быть параллельным текущему источнику? qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-3fdb4e6f9d02023a7235d50600f91031

— cm64

Я пытаюсь понять, как синфазный шум почти исключен в конфигурации токовой петли. Основное внимание сосредоточено на вашей первой диаграмме. Я просто хотел убедиться, что Rsource верен первым.

— cm64

1

Кроме того, конфигурация с мостовым сопротивлением, как вы описываете для сигнализации напряжения ... вероятно, не соответствует тому, что было сказано в другом ответе об использовании POWER для получения хорошего SNR.

— rackandboneman

Это всего лишь идея: Rsource является свойством самого I1. Это то, что вы рассчитываете, если строите кривую I против Rload и вычисляете Rsource по наклону линии. Поскольку я всегда точно такой же, вам остается подсчитать, что Ресурс бесконечен

— Генри Крун,

3

Насколько мне известно, это две основные причины выбора токовых циклов в нескольких случаях:

Вы не заботитесь о длине / сопротивлении ваших проводов. Вы можете сменить 3-метровый провод на 50-метровый, изменив его сопротивление, сигнал будет таким же (если, конечно, источник может обеспечивать достаточное напряжение / мощность).
Вы можете обнаружить повреждения и неудачи. Если вы получаете 0 мА, либо ваш датчик, либо ваш провод оборван. С петлями напряжения не так просто разобраться.

Что касается EMI, это не повлияет на большую часть времени. EMI обычно приходит на (очень) высоких частотах, намного быстрее, чем меняется ваш сигнал, поэтому вы можете отфильтровать его.

Кроме того, похоже, это связано со старыми пневматическими системами управления, в которых использовался диапазон 3-15psi.

— mclopez
источник

1

Что еще нужно помнить в отношении аналоговых сигналов, так это возможность интеграции протокола связи HART. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) - это цифровой сигнал, который накладывается поверх аналогового сигнала, позволяя передавать дополнительную информацию по той же схеме. В настоящее время большинство интеллектуальных промышленных инструментов работают с поддержкой HART. Таким образом, преимущества гораздо больше, чем просто падение напряжения и EMI.

— Байрон Макнейл
источник