Чому сигнал струму віддається перевагу сигналу напруги для довгої аналогової передачі?

18

Деякі датчики діють як джерела струму, і я це бачив кілька разів, особливо для дуже довгих проводів навіть на вулиці, як вітрові лопатки. Наприклад, замість напруги 0-10 В використовуються струмові петлі 4-20 мА.

Що може бути фізичним поясненням цього? Наскільки поточніше вигідніше?

(Мені також цікаво з точки зору втручання EMI, чи є сигнал поточного циклу більш захищеним і чому.)

Поясніть, будь ласка, цю концепцію, використовуючи схеми, джерела струму напруги з деякими компонентами. Наскільки загальні втручання в режимі поєднуються в обох випадках тощо. Чому струмовий цикл не застрахований від шуму.

Редагувати:

Прочитавши відповіді, ось що я розумію (натисніть, щоб побачити симуляційні діаграми та відповідні графіки):

Я застосовую загальний режим втручання Vcm у всіх сценаріях.

На першій верхній фігурі джерело струму з імпедансом 1Giga Ohm передається через неврівноважений / неврівноважений кабель, і навіть приймач одиничний закінчується, вихід не застрахований від шуму. (1 Г Ом робить шум невеликим, чим менший цей Rcur, тим більше шум на приймачі)

На середній фігурі джерело напруги передається по неврівноваженому кабелю, а приймач односторонній , вихід дуже шумний.

На нижньому малюнку джерело напруги передається врівноваженим кабелем, і приймач має диференційований шум, і загальний режим шуму усувається.

Чи правильний мій висновок / моделювання для відображення цього питання?

voltage

— см64
джерело

2

Переважно відхилення від шуму та перепаду напруги на дріт.

— KalleMP

1

@KalleMP "Використовуйте коментарі, щоб отримати більше інформації або запропонувати вдосконалення. Уникайте відповідей на запитання в коментарях." також стосуються коротких відповідей.

— труба

2

Ще одним ключовим моментом є те, що 4-20mA завжди має 4mA для живлення датчика. Це 2-провідний, дистанційний, ізольований датчик. Це дає їй переваги шуму, окрім поточного циклу.

— Генрі Крін

1

Ще одна примітка - ви можете виявити, коли у вас розрив дроту за допомогою сигналу 4-20ma.

— MadHatter

"Чи правильний мій висновок / моделювання для відображення цього питання?" Я думаю, що третій приклад виглядає настільки добре, оскільки CMR вашого приймального підсилювача (майже) ідеальний. Якби CMR був не таким хорошим (реалістичнішим), його вихід був би гіршим, ніж у 1-му прикладі.

— Сир

37

Насправді, що має значення для імунітету проти шуму, - це сила , необхідна для порушення синглу.

Тобто сигнал струму на вході з майже нульовим опором такий же поганий, як сигнал напруги на вході з майже нескінченним опором.

Вам потрібен приймач з ненульовим, а також нескінченним опором, так що сигнал передбачає деяку потужність .
Тобто

якщо інформація кодується як напруга, все одно має бути якийсь струм, що надходить у приймач і
якщо інформація кодується як поточна, все одно має бути напруга по всій приймачі.

Так в обох випадках схожі, але ви просто повинні вирішити , буде чи краще коду сигнал в вигляді напруги або струму (інша альтернатива буде закодований як сила). Для цілей вимірювання найбільш підходящі сигнали напруги або струму.

Хороший провід для струмового сигналу повинен просто забезпечити втрату (або вставлення) струму, тобто в ідеалі не протікає, тобто ідеальна ізоляція. Це можна зробити на практиці досить добре.

Хороший провід для сигналу напруги повинен забезпечити втрату напруги, тобто в ідеалі не буде падіння напруги, ідеальної провідності вздовж проводу. Якщо ви не використовуєте надпровідник, це практично неможливо здійснити на практиці.

схематичний

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

У будь-якому випадку опір приймача має бути значно вище 0 і набагато нижче нескінченності.
Легко мати опір ізоляції практично нескінченно.
Практично неможливо мати опір серії 0.

Тому, якщо сигнал повинен бути відправлений вниз на деяку відстань по дроту, то краще використовувати сигнал струму, ніж сигнал напруги.

— Сир
джерело

1

Ви говорите, що єдиною причиною використання струмового циклу є те, що якщо ми використовуємо напругу, то падіння напруги буде проблемою, коли справа стосується довгих кабелів. А як щодо EMI або загального режиму шуму? Чи переважає один над іншим, якщо використовується та сама кручена екранована пара?

— cm64

1

Якщо EMI може викликати напругу, то перетворюється на струм опір приймачів, і це вплине на сигнал струму так само, як це вплине на сингл напруги. Важливо лише сила, яка потрібна, щоб змінити значення.

— Сир

Чи можете ви пояснити, що ви говорите, використовуючи джерело напруги та джерело струму та деякі резистори для двох систем? важко уявити речення для мене.

— cm64

Я думаю, що малювання обох випадків (джерела струму / напруги) не дуже допомагає, оскільки не має значення, джерело сигналу є джерелом струму або напруги (джерело Тевеніна або джерело Нортона), оскільки обидва є рівнозначними. Однак важливо, якщо сигнал кодується як струм або напруга, якщо провід не має 0 опору.

— Сир

Це джерело напруги? Які ці безмежні опори? Чому занадто неявно?

— cm64

14

Струм великий тим, що він рівний у всіх частинах провідника. Тобто, якщо ви натискаєте на 15 мА з одного боку, інша сторона бачить 15 мА, навіть якщо вона знаходиться на відстані 200 м. Це дуже легко зрозуміти і робить передачу даних надійною.

Те ж не стосується напруги. Якщо ваш провідник має високий опір і має електричні перешкоди, то сигнал вхідної напруги погіршиться, а дійсна напруга може не доходити до іншої сторони.

Захист від шуму виникає через те, що струмові петлі є системою низького опору. Дивіться тут, чому це має значення: Чому ланцюги високого опору чутливіші до шуму?

— Макото
джерело

Чи буде він більш захищений від будь-яких ЕМІ або перешкод загального режиму краще, ніж сигнал напруги?

— cm64

@ cm64 дивіться мою редакцію

— Макото,

Струм витоку через ізоляцію провідника повинен бути настільки малим, щоб нехтувати.

— Уве

1

Я все ще не розумію, наскільки поточний цикл менш імунізований до шуму

— cm64

2

@ Макато постійні джерела струму мають високий опір. Це те, що робить цикл імунізованим до кабелю R. Приймач має низький R, і це допомагає

— ємнісно

7

Поточна сигналізація має різні переваги в різних ситуаціях, тому є кілька різних відповідей.

У випадку низькочастотної сигналізації.

Джерело постійного струму (відправник) має дуже високий опір (а CV - дуже низький опір). Тож якщо ви помістите досить високий опір серій, це не має ефекту: джерело CC вже надвисоке, який ефект має зробити кілька сотень / тисяч зайвих ом? Так само, коли ви підключаєте шум в кабель (C1,2), високе джерело R означає, що обидва дроти проходять разом вгору і вниз - це звичайний шум режиму і не впливає на струм. Тим часом приймальний кінець має низький Р. Це зменшує будь-який ємнісно пов'язаний шум і є надійним.

Система напруги - навпаки. Джерело повинно мати дуже низький опір. Серія R має значення. RX повинен бути дуже високим вхідним опором або ви отримаєте дільник напруги. Він буде ємнісно забирати шум і схильний до пошкоджень. Емісійний шум, що вводиться, протікає через джерело RS, і ви отримуєте диференційні напруги на приймачі.

схематичний

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

У разі високочастотної сигналізації (наприклад, відео)

Струмовий контур має в основному постійну напругу з обох сторін кабелю. Тому ємність по кабелю не пропускає жодного струму і не робить ніякого ефекту. Сигнал не захищений від кабелю C і захищений від додаткового С, що додається для захисту від шуму та емі. Значно менше енергії використовується, оскільки C не потрібно керувати.

— Генрі Крон
джерело

1

Це набагато простіше прослідкувати. Але чи не повинен Rsource у поточному циклі бути паралельним поточному джерелу? qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-3fdb4e6f9d02023a7235d50600f91031

— cm64

Я намагаюся зрозуміти, як загальний режим шуму майже усувається в поточній конфігурації циклу. В основному, орієнтуючись на свою першу діаграму. Я просто хотів бути впевненим, чи правильно Rsource спочатку правильний.

— cm64

1

Крім того, конфігурація мостового опору, як ви описуєте, для сигналізації напруги ... ймовірно, відповідає тому, що було сказано в іншій відповіді про використання POWER для отримання хорошого SNR.

— rackandboneman

Це лише ідея: Rsource є властивістю самого I1. Це те, що ви обчислюєте, якщо побудувати криву I проти Rload та обчислити Rsource зі схилу лінії. Як я завжди абсолютно однаковий, ви залишаєтеся обчислити, що Rsource - нескінченність

— Генрі Крун

3

Що стосується мене, це дві основні причини вибору поточних циклів у кількох випадках:

Вас не хвилює довжина / опір проводів. Ви можете змінити 3-метровий провід на 50-метровий, змінивши його опір, сигнал буде таким самим (якщо, звичайно, джерело може доставити достатню напругу / потужність).
Ви можете виявити пошкодження та збій. Якщо ви отримаєте 0mA, або сенсор, або ваш провід зламаний. З петлями напруги це не так просто зрозуміти.

Щодо EMI, це не вплине на більшість випадків. EMI зазвичай надходить на (дуже) високих частотах, швидше, ніж змінюється ваш сигнал, тому ви можете його відфільтрувати.

Крім того, схоже, це пов'язано зі старими системами управління пневматикою, де використовувався діапазон 3-15psi.

— мклопез
джерело

1

Щось ще слід пам’ятати щодо аналогових сигналів - це можливість інтегрувати протокол зв'язку HART. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) - цифровий сигнал, накладений поверх аналогового сигналу, що дозволяє надсилати додаткову інформацію по тому ж проводці. Більшість розумних промислових інструментів в даний час працює з функцією HART. Тож переваги набагато більше, ніж просто падіння напруги та ЕМІ.

— Байрон Макнейл
джерело