Индустриалните системи за управление продължават да разчитат на стандартни аналогови сигнали за предаване на данни между процесното и контролното оборудване. Стабилните сигнали от 4 до 20 mA токови контури могат лесно да преминат хиляди фута, докато ±5 и ±10V сигнали също са често срещани в индустриалните системи.
Тази бележка за приложението показва решенията на Maxim за интегрирана система за събиране на данни (DAS). DAS решенията на Maxim спестяват място на борда, консумация на енергия и време за проектиране, като същевременно преобразуват стандартни индустриални аналогови сигнали с минимални външни компоненти.
Въведение
Въпреки множеството версии на цифрови полеви шини, индустриалните системи за управление продължават да разчитат на стандартни аналогови сигнали за предаване на данни между процесното и контролното оборудване. Например предавателите на процеси в химически заводи преобразуват ниско{1}}ниво на сигнали за температура и налягане в стабилни сигнали от 4 до 20 mA токова верига, които лесно могат да изминат хиляди фута.
Speed and position sensors for machine tools and automated guided vehicles in factory automation environments generate unipolar and bipolar voltage signals, typically ranging from 0V to 5V, 0V to 10V, ±5V, or ±10V. Additionally, signals from commonly used PT100 temperature sensing elements often require no conversion and can be directly utilized within standard ranges, such as 10V or 20mA. As RTDs (Resistance Temperature Detectors) made from platinum (Pt), PT100s exhibit a resistance of 0Ω at 100°C. Their resistance exhibits a linear relationship with temperature and provides a relatively high output signal level (>1mV, когато се управлява от източник на ток 100mA).
Функциите за управление в рамките на процесната среда се изпълняват от PLC (програмируеми логически контролери), PCS (системи за управление на процеси) или (по-скоро) IPC (промишлени персонални компютри). Тъй като тези устройства са цифрови системи, работещи с-специфичен софтуер, всички аналогови сигнали трябва да бъдат преобразувани в цифрови, преди компютърът да може да ги разчете.
A/D преобразуването в системите за управление се извършва от платки или кутии, наречени "аналогови периферни устройства". Те се свързват към процесора чрез шина на задната платка на системата или полева шина, когато са инсталирани дистанционно (напр. на машини). Освен цифровите схеми (за комуникация с процесора), тези периферни устройства включват различни прецизни аналогови и смесени-сигнални компоненти. Нуждата от повече канали на платка или по-малки пакети (за машинен монтаж) води до ограничения на пространството и мощността, което представлява основно предизвикателство при дизайна на аналоговите периферни устройства. Следната схема илюстрира техники за кондициониране на сигнала и описва метод за цифровизиране на до осем канала с помощта на един чип.
Система за събиране на данни
Усъвършенстваната система за събиране на данни (Фигура 1) се състои от мултиплексор (mux) за превключване между входни канали, схема за кондициониране на сигнала, осигуряваща настройка на усилването и отместването за различни входни диапазони, и аналогов-към-цифров преобразувател (ADC) с референтно напрежение (VREF).
Фигура 1. Тази диаграма илюстрира основните компоненти на системата за събиране на данни.
Интегрирани DAS решения
Чрез интегриране на основните модули, показани на фигура 1, Maxim разработи серия от системи за събиране на данни с един-чип, които спестяват място на борда, консумация на енергия и време за проектиране. Тези чипове изискват минимални външни компоненти (никакви в някои случаи) и могат да преобразуват повечето стандартни сигнали, използвани в момента. Всяко устройство включва 12-битов ADC, мултиплексор и корекция на печалба/отместване, включващо сериен или паралелен цифров интерфейс за лесно свързване към повечето микропроцесори.
Следващата блокова диаграма (Фигура 2) илюстрира типична конфигурация за тази серия. Основните разлики са в цифровата част, свързана с микропроцесора. Всеки чип осигурява 16 или 5 аналогови входни-канала с единичен край, свързани към вътрешния ADC чрез-защитени от повреда мултиплексори. Всеки канал може да издържи на входно напрежение до<>.<>V, и повреда на който и да е канал не засяга реализациите на който и да е друг канал.
Фигура 2. Функциите, показани на фигура 1, са интегрирани в този чип.
Всеки канал може да бъде независимо програмиран за стандартен входен диапазон (0 до 5V, 0 до 10V, ±5V или ±10V), докато се захранва от едно 5V захранване. Други устройства имат подобни структури на усилване, но приемат различни входни обхвати: еднополярни или биполярни 2V или 4V, или еднополюсни или биполярни VREF или -VREF. Възможността за промяна на усилването 100x с 10% отместване на входа (от -10V до +2V) разширява динамичния диапазон с 14 бита, което води до системи с<>-битов динамичен диапазон.
Вътрешният ADC е тип 12-битово последователно приближение, базирано на капацитивен DAC, където MSB капацитетът също функционира като кондензатор за задържане във веригата за проба/задържане. Всяко устройство може да работи с помощта на вътрешен осцилатор или външен часовник.
Устройствата MAX196 до MAX199 използват /WR импулси за стартиране и спиране на придобиване, осигурявайки относително дълги времена на придобиване в "режим на външно придобиване", без да забавят скоростта на преобразуване. Кратко забавяне на блендата на устройството и слабо трептене на блендата (<50ps in external clock/acquire mode) enable precise control of acquisition timing. This capability is critical for phase-sensitive applications such as power line control and AC motor control. Additionally, the chip's wideband input architecture provides up to 5MHz small-signal bandwidth, allowing undersampling techniques beyond the Nyquist frequency.
Цифров интерфейс
Приложенията, изискващи високо{0}}скоростни измервания, се обслужват най-добре от паралелни интерфейси за данни (MAX196 до MAX199). Тези устройства постигат пропускателна способност от 2 Ksps при тактова честота от 100 MHz, достатъчна за повечето високо-вериги за управление на скоростта. За по--скоростни приложения, наличните I²C-съвместими версии на интерфейс спестяват място на платката и опростяват комуникацията между DAS и микроконтролерите. Тези устройства разполагат с бързи времена за преобразуване (10 μs), но серийният интерфейс ограничава пропускателната им способност до 8 kbps.
Например, MAX197 приема 0V до 10V, 0V до 5V, ±5V и ±10V входове. Импедансът на източника, управляващ тези входове, е основна грижа за потребителите. По време на вземане на проби ADC черпи токов импулс, за да зареди своя T/H кондензатор (MSB кондензатор за капацитивни DAC). Следователно е необходим бързо{10}}установяващ се операционен усилвател с достатъчна скорост на нарастване, за да се осигури адекватно установяване на напрежението по време на придобиване. Операционните усилватели MXL1013/MXL1014 се представят добре при постигане на бързи честоти на дискретизация. За по-бавни операционни усилватели времето за придобиване трябва да се удължи.
Диференциалните входове, използвани в много системи за автоматизация, са относително нечувствителни към смущения в общ-режим. В повечето случаи е достатъчна обикновена схема на диференциален усилвател (Фигура 3) с входен импеданс над 1 MΩ. (За по-висок входен импеданс използвайте стандартен инструментален усилвател с 3-op-amp.) Изходът, показан на фигура 3, е
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
За силно отхвърляне на общ{0}}режим, задайте R1=R3 и R2=R4. Коефициентът на усилване на показаната комбинация е 0,876, разширявайки обхвата на входа ±10V с приблизително 114% за измерване на сигнали извън обхвата. Тази настройка намалява разделителната способност на лентата ±10V до приблизително 11,8 бита.
Фигура 3. Прост диференциален усилвател осигурява висок входен импеданс и единичен{1}}изход.
20mA токова верига
Токовите вериги предават малки сигнали на дълги разстояния в шумна среда. Токът обикновено се генерира от процесен трансмитер, който преобразува променливи като температура или налягане в постоянен ток в диапазона от 0mA до 20mA или от 4mA до 20mA. След това токът преминава през шунтиращ резистор, създавайки пропорционален спад на напрежението, който лесно се цифровизира. Тъй като наличното съвместимо напрежение за задвижване на веригата-включително съпротивлението на проводника-рядко надвишава 15 V до 18 V, стойността на резистора е ограничена до няколкостотин ома (Фигура 4).
Фигура 4. Комбинирането на усилвателя, показан на Фигура 3, със сигнала на токовата верига, получен от 220Ω шунт резистор, създава удобен единичен-изход.Тази схема разполага със същия диференциален усилвател като веригата за кондициониране ±10V, заедно с шунтиращ резистор 220Ω. Този резистор показва спад на напрежението от 4,20 V при 4 mA и 5,25 V при 5 mA. Усилването на диференциалния усилвател се регулира на входа на ADC до максимум 4,62 V. Следователно DAS, програмиран за 0,5 V вход, може да дигитализира този сигнал с максимална разделителна способност от 11,8 бита.
Тъй като MAX198/MAX199 и MAX128 имат най-малкия входен обхват в тази серия, те работят с малък шунтиращ резистор, без да се изисква регулиране на усилването. Това ги прави по-подходящи за измервания на 10mA в системи, които не изискват други измервания на високо-ниво (до ±20V). За да адаптирате веригата, показана на фигура 4, за използване с MAX199, конфигурирайте MAX199 за входен диапазон от 0 до 2 V и сменете резистора от 536 kΩ на 470 kΩ. Използвайте 86Ω шунт резистор.
Адаптиране на сензора
Термодвойките, тензодатчиците и други често срещани сензори осигуряват нелинейни сигнали с ниско{0}}ниво, които са чувствителни към EMI. Следователно, преди да изпрати тази информация към системата за управление, 4-20mA предавател първо линеаризира и кондиционира сигнала. За по-малко критични приложения за измерване на температура, детекторите за температура на съпротивление (RTD) могат да измерват температури до 850 градуса на големи разстояния, без да се изисква скъпо кондициониране на сигнала.
Най-популярният RTD е стандартизираният платинен температурен сензор, известен като PT100, включващ съпротивление от 0 Ω при 100 градуса и линеен температурен коефициент от 0,38 Ω/градус. Той също така показва по-малък нелинеен температурен коефициент, което прави неговата характеристика Ω/градус почти линейна в тесен диапазон. За разлика от термодвойките, където изходното напрежение представлява температурната разлика между две точки, съпротивлението на RTD директно представлява абсолютната температура на сензора.
Измерването се постига чрез прокарване на ток от 1 mA до 2 mA през сензора и измерване на спада на напрежението през неговите клеми. По-високите токове въвеждат грешки в измерването поради само-нагряване, причинено от увеличеното разсейване на мощността в сензора. Вътрешен референтен 4,096 V опростява генерирането на възбуждащ ток на сензора (Фигура 5).
Фигура 5. Тази верига подава ток към RTD сензора и дигитализира получения резултат.
За да се предотврати влиянието на съпротивлението на проводника върху точността на измерване, четири независими проводника свързват RTD към диференциалния усилвател. Тъй като сензорните проводници се свързват към входа с висок-импеданс на усилвателя, техният ток е много нисък, което води до незначителен спад на напрежението. Референтното напрежение от 4096 mV и резисторът за обратна връзка 3,3 kΩ задават тока на възбуждане на приблизително 4096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Следователно, задвижването както на ADC, така и на източника на ток с едно и също референтно напрежение позволява измерване на съотношението, при което дрейфът на референтното напрежение не влияе на резултата от преобразуването.
Конфигурирайте MAX197 за входен диапазон от 0 V до 5 V и задайте усилването на диференциалния усилвател на 10, за да измервате стойности на съпротивление до 400 Ω, представляващи приблизително 800 градуса. Микропроцесорът може да линеаризира сигнала на сензора с помощта на справочна таблица. За да калибрирате системата, сменете RTD с два прецизни резистора (100Ω представляващи нула, 300Ω или по-високи представляващи пълна скала) и запазете резултатите от преобразуването.
Вместо да отделя конкретни вериги за определени входни диапазони, схемата, показана на Фигура 6, адаптира ADC входа, за да поеме всеки диапазон на сигнала, описан по-рано. Изборът на входния щифт и входния диапазон на ADC (Таблица 1) позволява избор на подходяща конфигурация.
Фигура 6. Тази универсална входна верига адаптира ADC към диапазона на сигнала на всеки входен канал.