Industrijski upravljački sustavi i dalje se oslanjaju na standardne analogne signale za prijenos podataka između procesne i upravljačke opreme. Stabilni signali strujne petlje od 4 do 20 mA mogu lako prijeći tisuće stopa, dok su signali ±5 i ±10V također uobičajeni u industrijskim sustavima.
Ova bilješka o aplikaciji prikazuje Maximova rješenja integriranog sustava prikupljanja podataka (DAS). Maximova DAS rješenja štede prostor na ploči, potrošnju energije i vrijeme projektiranja dok pretvaraju standardne industrijske analogne signale s minimalnim vanjskim komponentama.
Uvod
Unatoč višestrukim verzijama digitalnih sabirnica polja, industrijski sustavi upravljanja i dalje se oslanjaju na standardne analogne signale za prijenos podataka između procesne i upravljačke opreme. Na primjer, procesni odašiljači u kemijskim tvornicama pretvaraju-signale temperature i tlaka niske razine u stabilne signale strujne petlje od 4 do 20 mA koji mogu lako putovati tisućama stopa.
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 kada ga pokreće izvor struje od 100mA).
Upravljačke funkcije unutar procesnog okruženja provode PLC (Programmable Logic Controllers), PCS (Process Control Systems) ili (u novije vrijeme) IPC (Industrial Personal Computers). Budući da su ti uređaji digitalni sustavi koji pokreću-specifičan softver, svi analogni signali moraju se pretvoriti u digitalne prije nego što ih računalo može pročitati.
A/D pretvorba unutar upravljačkih sustava izvodi se pomoću ploča ili kutija koje se nazivaju "analogne periferije". Oni se povezuju s CPU-om preko sabirnice stražnje ploče sustava ili sabirnice polja kada su instalirani na daljinu (npr. na strojevima). Osim digitalnih sklopova (za CPU komunikaciju), ovi periferni uređaji uključuju različite precizne komponente analognog i-mješovitog signala. Potreba za više kanala po ploči ili manjim paketima (za strojnu montažu) dovodi do ograničenja prostora i snage, što predstavlja primarni izazov dizajna za analogne periferije. Sljedeći sklop ilustrira tehnike kondicioniranja signala i opisuje metodu za digitalizaciju do osam kanala korištenjem jednog čipa.
Sustav za prikupljanje podataka
Napredni sustav prikupljanja podataka (Slika 1) sastoji se od multipleksera (mux) za prebacivanje između ulaznih kanala, sklopa za kondicioniranje signala koji omogućuje podešavanje pojačanja i pomaka za različite ulazne raspone i analogno{1}}u-digitalni pretvarač (ADC) s referentnim naponom (VREF).
Slika 1. Ovaj dijagram ilustrira osnovne komponente sustava za prikupljanje podataka.
Integrirana DAS rješenja
Integracijom osnovnih modula prikazanih na slici 1, Maxim je razvio niz sustava za prikupljanje podataka s jednim-čipom koji štede prostor na ploči, potrošnju energije i vrijeme dizajna. Ovi čipovi zahtijevaju minimalne vanjske komponente (u nekim slučajevima nikakve) i mogu pretvoriti većinu standardnih signala koji se trenutno koriste. Svaki uređaj uključuje 12-bitni ADC, multiplekser i korekciju pojačanja/pomaka, sa serijskim ili paralelnim digitalnim sučeljem za jednostavno povezivanje s većinom mikroprocesora.
Sljedeći blok dijagram (Slika 2) ilustrira tipičnu konfiguraciju za ovu seriju. Primarne razlike leže u digitalnom dijelu spojenom na mikroprocesor. Svaki čip pruža 16 ili 5 jedno-analognih ulaznih kanala spojenih na interni ADC preko-multipleksera zaštićenih od greške. Svaki kanal može izdržati ulazne napone do<>.<>V, a greška na bilo kojem kanalu ne utječe na konverzije na bilo kojem drugom kanalu.
Slika 2. Funkcije prikazane na slici 1 integrirane su u ovaj čip.
Svaki se kanal može neovisno programirati za standardni ulazni raspon (0 do 5 V, 0 do 10 V, ±5 V ili ±10 V) dok se napaja iz jednog napajanja od 5 V. Drugi uređaji imaju slične strukture pojačanja, ali prihvaćaju različite ulazne raspone: unipolarni ili bipolarni 2V ili 4V, ili unipolarni ili bipolarni VREF ili -VREF. Mogućnost varijacije pojačanja od 100x s 10% ulaznog pomaka (od -10V do +2V) proširuje dinamički raspon za 14 bita, što rezultira sustavima s<>-bitni dinamički raspon.
Interni ADC je 12-bitni tip sukcesivne aproksimacije koji se temelji na kapacitivnom DAC-u, gdje MSB kapacitet također funkcionira kao kondenzator zadržavanja u krugu uzorkovanja/zadržavanja. Svaki uređaj može raditi pomoću unutarnjeg oscilatora ili vanjskog sata.
Uređaji MAX196 do MAX199 koriste /WR impulse za pokretanje i zaustavljanje akvizicije, osiguravajući relativno dugo vrijeme akvizicije u "eksternom modu akvizicije" bez usporavanja brzine konverzije. Kratko kašnjenje otvora blende uređaja i malo podrhtavanje otvora blende (<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.
Digitalno sučelje
Prijave koje zahtijevaju -mjerenja velike brzine najbolje služe paralelnim podatkovnim sučeljima (MAX196 do MAX199). Ovi uređaji postižu propusnost od 2Ksps pri taktu od 100MHz, što je dovoljno za većinu petlji upravljanja velikom-brzinom. Za manje{8}}brzinske aplikacije, dostupne I²C-kompatibilne verzije sučelja štede prostor na ploči i pojednostavljuju komunikaciju između DAS-a i mikrokontrolera. Ovi uređaji imaju brzo vrijeme pretvorbe (10 μs), ali serijsko sučelje ograničava njihovu propusnost na 8 kbps.
Na primjer, MAX197 prihvaća ulaze od 0V do 10V, 0V do 5V, ±5V i ±10V. Impedancija izvora koja pokreće ove ulaze primarna je briga za korisnike. Tijekom uzorkovanja, ADC povlači strujni impuls da napuni svoj T/H kondenzator (MSB kondenzator za kapacitivne DAC). Stoga je potrebno-operacijsko pojačalo s brzim smirivanjem s dovoljnom brzinom pada kako bi se osiguralo odgovarajuće uspostavljanje napona tijekom akvizicije. Operacijska pojačala MXL1013/MXL1014 imaju dobre rezultate u postizanju velikih brzina uzorkovanja. Za sporija operacijska pojačala, vrijeme akvizicije mora se produžiti.
Diferencijalni ulazi koji se koriste u mnogim automatiziranim sustavima relativno su neosjetljivi na-smetnje uobičajenog načina rada. U većini slučajeva dovoljan je jednostavan sklop diferencijalnog pojačala (slika 3) s ulaznom impedancijom većom od 1 MΩ. (Za veću ulaznu impedanciju, koristite standardno 3-op-amp instrumentacijsko pojačalo.) Izlaz prikazan na slici 3 je
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Za visoko odbijanje zajedničkog{0}}moda, postavite R1=R3 i R2=R4. Dobitak prikazane kombinacije je 0,876, proširujući ulazni raspon ±10 V za približno 114% za mjerenje signala izvan raspona. Ova prilagodba smanjuje razlučivost pojasa ±10V na približno 11,8 bita.
Slika 3. Jednostavno diferencijalno pojačalo pruža visoku ulaznu impedanciju i jedno-izlaz.
Strujna petlja od 20 mA
Strujne petlje prenose male signale na velike udaljenosti u bučnim okruženjima. Struju obično stvara procesni transmiter, koji pretvara varijable kao što su temperatura ili tlak u istosmjernu struju unutar raspona od 0mA do 20mA ili od 4mA do 20mA. Struja zatim teče kroz otpornik za usmjeravanje, stvarajući proporcionalni pad napona koji se lako digitalizira. Budući da usklađeni napon dostupan za pokretanje petlje-uključujući otpor žice-rijetko prelazi 15 V do 18 V, vrijednost otpornika ograničena je na nekoliko stotina ohma (Slika 4).
Slika 4. Kombiniranjem pojačala prikazanog na slici 3 sa signalom strujne petlje izvedenim iz 220Ω šant otpornika daje prikladan jedno-izlaz.Ovaj krug ima isto diferencijalno pojačalo kao ±10V krug za kondicioniranje, zajedno sa 220Ω otpornikom. Ovaj otpornik pokazuje pad napona od 4,20 V pri 4 mA i 5,25 V pri 5 mA. Dobitak diferencijalnog pojačala podešava se na ADC ulazu na maksimalno 4,62 V. Stoga DAS programiran za ulaz od 0,5 V može digitalizirati ovaj signal s maksimalnom rezolucijom od 11,8 bita.
Budući da MAX198/MAX199 i MAX128 imaju najmanji ulazni raspon u ovoj seriji, rade s malim šantnim otpornikom bez potrebe za podešavanjem pojačanja. To ih čini prikladnijima za mjerenja od 10 mA u sustavima koji ne zahtijevaju druga -mjerenja visoke razine (do ±20 V). Za prilagodbu kruga prikazanog na slici 4 za korištenje s MAX199, konfigurirajte MAX199 za ulazni raspon od 0 do 2 V i promijenite otpornik od 536 kΩ na 470 kΩ. Upotrijebite otpornik 86Ω.
Prilagodba senzora
Termoparovi, mjerači naprezanja i drugi uobičajeni senzori daju nelinearne signale-niske razine koji su osjetljivi na EMI. Stoga, prije slanja ovih informacija u kontrolni sustav, odašiljač od 4-20 mA prvo linearizira i uvjetuje signal. Za manje kritične primjene mjerenja temperature, temperaturni detektori otpora (RTD) mogu mjeriti temperature do 850 stupnjeva na velikim udaljenostima bez potrebe za skupim kondicioniranjem signala.
Najpopularniji RTD je standardizirani senzor temperature od platine poznat kao PT100, s otporom od 0 Ω na 100 stupnjeva i linearnim temperaturnim koeficijentom od 0,38 Ω/stupnju. Također pokazuje manji nelinearni temperaturni koeficijent, čineći njegovu karakteristiku Ω/stupanj gotovo linearnom u uskom rasponu. Za razliku od termoparova, gdje izlazni napon predstavlja temperaturnu razliku između dvije točke, otpor RTD-a izravno predstavlja apsolutnu temperaturu senzora.
Mjerenje se postiže provođenjem struje od 1 mA do 2 mA kroz senzor i mjerenjem pada napona na njegovim terminalima. Veće struje uzrokuju pogreške u mjerenju zbog samo-zagrijavanja uzrokovanog povećanim rasipanjem snage unutar senzora. Interna referenca od 4,096 V pojednostavljuje generiranje pobudne struje senzora (Slika 5).
Slika 5. Ovaj krug dovodi struju do RTD senzora i digitalizira rezultirajući izlaz.
Kako bi se spriječilo da otpor žice utječe na točnost mjerenja, četiri neovisne žice povezuju RTD s diferencijalnim pojačalom. Budući da se senzorske žice spajaju na ulaz visoke-impedancije pojačala, njihova struja je vrlo niska, što rezultira zanemarivim padom napona. Referentni napon od 4096 mV i povratni otpornik od 3,3 kΩ postavljaju struju pobude na približno 4096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Posljedično, pokretanje i ADC-a i izvora struje s istim referentnim naponom omogućuje mjerenje omjera gdje pomak referentnog napona ne utječe na rezultat pretvorbe.
Konfigurirajte MAX197 za ulazni raspon od 0 V do 5 V i postavite pojačanje diferencijalnog pojačala na 10 za mjerenje vrijednosti otpora do 400 Ω, što predstavlja približno 800 stupnjeva. Mikroprocesor može linearizirati signal senzora pomoću tablice pretraživanja. Za kalibraciju sustava zamijenite RTD s dva precizna otpornika (100Ω predstavlja nulu, 300Ω ili više predstavlja punu skalu) i pohranite rezultate pretvorbe.
Umjesto dodjeljivanja specifičnih sklopova određenim rasponima ulaza, sklop prikazan na slici 6 prilagođava ulaz ADC-a kako bi se prilagodio bilo kojem ranije opisanom rasponu signala. Odabirom ulaznog pina i ADC ulaznog raspona (tablica 1) omogućuje se odabir odgovarajuće konfiguracije.
Slika 6. Ovaj univerzalni ulazni krug prilagođava ADC rasponu signala na svakom ulaznom kanalu.