Sistemele de control industrial continuă să se bazeze pe semnale analogice standard pentru a transmite date între echipamentele de proces și de control. Semnalele de buclă de curent stabile de 4 până la 20 mA pot traversa cu ușurință mii de picioare, în timp ce semnalele ±5 și ±10V sunt, de asemenea, obișnuite în sistemele industriale.
Această notă de aplicație prezintă soluțiile Maxim de sistem integrat de achiziție de date (DAS). Soluțiile DAS Maxim economisesc spațiu pe placă, consumul de energie și timpul de proiectare în timp ce convertesc semnalele analogice industriale standard cu componente externe minime.
Introducere
În ciuda mai multor versiuni ale magistralelor de câmp digitale, sistemele de control industrial continuă să se bazeze pe semnale analogice standard pentru a transmite date între echipamentele de proces și de control. De exemplu, transmițătoarele de proces din fabricile chimice convertesc semnalele de temperatură și presiune de nivel scăzut-în semnale stabile de buclă de curent de 4 până la 20 mA, care pot parcurge cu ușurință mii de metri.
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 când este condus de o sursă de curent de 100mA).
Funcțiile de control din mediul de proces sunt implementate de PLC-uri (controlere logice programabile), PCS-uri (sisteme de control al proceselor) sau (mai recent) IPC-uri (calculatoare personale industriale). Deoarece aceste dispozitive sunt sisteme digitale care rulează software-specific pentru procese, toate semnalele analogice trebuie convertite în digital înainte ca computerul să le poată citi.
Conversia A/D în cadrul sistemelor de control este efectuată de plăci sau cutii numite „periferice analogice”. Acestea se conectează la CPU prin magistrala de bază a sistemului sau fieldbus atunci când sunt instalate de la distanță (de exemplu, pe mașini). Dincolo de circuitele digitale (pentru comunicarea cu CPU), aceste periferice încorporează diverse componente de semnal analogic și mixt-de precizie. Nevoia de mai multe canale pe placă sau pachete mai mici (pentru montarea pe mașină) duce la constrângeri de spațiu și putere, prezentând principala provocare de proiectare pentru perifericele analogice. Următorul circuit ilustrează tehnicile de condiționare a semnalului și descrie o metodă de digitalizare a până la opt canale folosind un singur cip.
Sistem de achizitie de date
Sistemul avansat de achiziție de date (Figura 1) cuprinde un multiplexor (mux) pentru comutarea între canalele de intrare, un circuit de condiționare a semnalului care asigură ajustarea câștigului și a offset-ului pentru diferite domenii de intrare și un convertor analog-la-digital (ADC) cu o tensiune de referință (VREF).
Figura 1. Această diagramă ilustrează componentele de bază ale sistemului de achiziție de date.
Soluții DAS integrate
Prin integrarea modulelor de bază prezentate în Figura 1, Maxim a dezvoltat o serie de sisteme de achiziție de date cu un singur-cip care economisesc spațiu pe placă, consumul de energie și timpul de proiectare. Aceste cipuri necesită componente externe minime (niciuna în unele cazuri) și pot converti majoritatea semnalelor standard utilizate în prezent. Fiecare dispozitiv încorporează un ADC de 12 biți, multiplexor și corecție câștig/offset, prezentând o interfață digitală serială sau paralelă pentru o conexiune ușoară la majoritatea microprocesoarelor.
Următoarea diagramă bloc (Figura 2) ilustrează o configurație tipică pentru această serie. Diferențele principale constă în secțiunea digitală conectată la microprocesor. Fiecare cip oferă 16 sau 5 canale de intrare analogice cu un singur-terminat conectate la ADC intern prin multiplexoare-protejate de erori. Orice canal poate rezista la tensiuni de intrare de până la<>.<>V, iar o eroare pe orice canal nu afectează conversiile pe niciun alt canal.
Figura 2. Funcțiile prezentate în Figura 1 sunt integrate în acest cip.
Fiecare canal poate fi programat independent pentru un interval de intrare standard (0 la 5V, 0 la 10V, ±5V sau ±10V) în timp ce este alimentat de o singură sursă de 5V. Alte dispozitive au structuri de câștig similare, dar acceptă diferite domenii de intrare: unipolar sau bipolar 2V sau 4V sau unipolar sau bipolar VREF sau -VREF. Capacitatea de variație a câștigului de 100x cu un offset de intrare de 10% (de la -10V la +2V) extinde intervalul dinamic cu 14 biți, rezultând sisteme cu<>interval dinamic de -biți.
ADC-ul intern este un tip de aproximare succesivă pe 12 biți bazat pe un DAC capacitiv, unde capacitatea MSB funcționează și ca condensator de reținere în circuitul de eșantionare/reținere. Fiecare dispozitiv poate funcționa fie folosind oscilatorul intern, fie un ceas extern.
Dispozitivele MAX196 până la MAX199 utilizează impulsuri /WR pentru a porni și opri achiziția, oferind timpi de achiziție relativ lungi în „modul de achiziție externă”, fără a încetini viteza de conversie. Întârzierea scurtă a diafragmei și fluctuația redusă a diafragmei (<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.
Interfață digitală
Aplicațiile care necesită măsurători de-înaltă viteză sunt cel mai bine deservite de interfețele de date paralele (MAX196 până la MAX199). Aceste dispozitive ating un debit de 2 Ksps la rate de ceas de 100 MHz, suficient pentru majoritatea buclelor de control de-înaltă viteză. Pentru aplicațiile cu viteză mai mică-, versiunile disponibile de interfață compatibile I²C- economisesc spațiu pe placă și simplifică comunicarea dintre DAS și microcontrolere. Aceste dispozitive au timpi de conversie rapidi (10μs), dar interfața serială limitează debitul lor la 8kbps.
De exemplu, MAX197 acceptă intrări de la 0V la 10V, 0V la 5V, ±5V și ±10V. Impedanța sursei care conduce aceste intrări este o preocupare principală pentru utilizatori. În timpul eșantionării, ADC-ul preia un impuls de curent pentru a-și încărca condensatorul T/H (condensatorul MSB pentru DAC-uri capacitive). Prin urmare, este necesar un amplificator operațional cu setare rapidă-cu o rată de înclinare suficientă pentru a asigura o stabilizare adecvată a tensiunii în timpul achiziției. Amplificatoarele operaționale MXL1013/MXL1014 au rezultate bune în atingerea ratelor de eșantionare rapide. Pentru amplificatoarele operaționale mai lente, timpul de achiziție trebuie prelungit.
Intrările diferențiale utilizate în multe sisteme de automatizare sunt relativ insensibile la interferența în mod obișnuit-. În cele mai multe cazuri, este suficient un circuit amplificator diferenţial simplu (Figura 3) cu impedanţa de intrare care depăşeşte 1MΩ. (Pentru o impedanță de intrare mai mare, utilizați un amplificator de instrumentare cu 3-op-amp standard.) Ieșirea prezentată în Figura 3 este
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Pentru respingerea-modului comun ridicat, setați R1=R3 și R2=R4. Câștigul combinației afișate este de 0,876, extinzând domeniul de intrare de ±10V cu aproximativ 114% pentru a măsura semnale dincolo de interval. Această ajustare reduce rezoluția benzii de ±10V la aproximativ 11,8 biți.
Figura 3. Un amplificator diferenţial simplu oferă impedanţă de intrare mare şi ieşire cu un singur-terminat.
Bucla de curent 20mA
Buclele de curent transmit semnale mici pe distanțe lungi în medii zgomotoase. Curentul este de obicei generat de un transmițător de proces, care convertește variabile precum temperatura sau presiunea într-un curent continuu în intervalul 0mA până la 20mA sau 4mA până la 20mA. Curentul trece apoi printr-un rezistor de șunt, creând o cădere de tensiune proporțională care este ușor de digitalizat. Deoarece tensiunea conformă disponibilă pentru a conduce bucla-inclusiv rezistența firului-depășește rar 15V până la 18V, valoarea rezistenței este limitată la câteva sute de ohmi (Figura 4).
Figura 4. Combinarea amplificatorului prezentat în Figura 3 cu semnalul buclei de curent derivat din rezistorul shunt de 220Ω produce o ieșire convenabilă cu un singur-terminat.Acest circuit are același amplificator diferențial ca și circuitul de condiționare de ±10V, împreună cu un rezistor shunt de 220Ω. Acest rezistor prezintă o cădere de tensiune de 4,20 V la 4 mA și 5,25 V la 5 mA. Câștigul amplificatorului diferenţial este ajustat la intrarea ADC la maximum 4,62 V. Prin urmare, un DAS programat pentru o intrare de 0,5 V poate digitiza acest semnal cu o rezoluție maximă de 11,8 biți.
Deoarece MAX198/MAX199 și MAX128 au cel mai mic domeniu de intrare din această serie, ele funcționează cu un rezistor de șunt mic fără a necesita ajustarea câștigului. Acest lucru le face mai potrivite pentru măsurători de 10 mA în sisteme care nu necesită alte măsurători de-nivel înalt (până la ±20V). Pentru a adapta circuitul prezentat în Figura 4 pentru a fi utilizat cu MAX199, configurați MAX199 pentru un interval de intrare de la 0 la 2 V și schimbați rezistența de 536 kΩ la 470 kΩ. Folosiți o rezistență de șunt 86Ω.
Adaptarea senzorilor
Termocuplurile, tensometrele și alți senzori obișnuiți furnizează semnale neliniare de nivel scăzut-care sunt sensibile la EMI. Prin urmare, înainte de a trimite aceste informații către sistemul de control, un transmițător 4-20mA mai întâi liniază și condiționează semnalul. Pentru aplicațiile de măsurare a temperaturii mai puțin critice, detectoarele de temperatură cu rezistență (RTD) pot măsura temperaturi de până la 850 de grade pe distanțe lungi fără a necesita condiționare costisitoare a semnalului.
Cel mai popular RTD este senzorul de temperatură standardizat din platină cunoscut sub numele de PT100, având o rezistență de 0Ω la 100 de grade și un coeficient de temperatură liniar de 0,38Ω/grad. Prezintă, de asemenea, un coeficient de temperatură neliniar mai mic, făcând caracteristica sa Ω/grad aproape liniară într-un interval îngust. Spre deosebire de termocupluri, unde tensiunea de ieșire reprezintă diferența de temperatură dintre două puncte, rezistența RTD reprezintă direct temperatura absolută a senzorului.
Măsurarea se realizează prin conducerea unui curent de 1mA până la 2mA prin senzor și măsurarea căderii de tensiune la bornele acestuia. Curenții mai mari introduc erori de măsurare din cauza auto--încălzirii cauzate de disiparea crescută a puterii în interiorul senzorului. O referință internă de 4,096 V simplifică generarea curentului de excitare a senzorului (Figura 5).
Figura 5. Acest circuit furnizează curent senzorului RTD și digitizează ieșirea rezultată.
Pentru a preveni ca rezistența firului să afecteze precizia măsurării, patru fire independente conectează RTD-ul la amplificatorul diferenţial. Deoarece firele de detectare se conectează la intrarea cu impedanță mare-a amplificatorului, curentul lor este foarte scăzut, ceea ce duce la o cădere de tensiune neglijabilă. Tensiunea de referință de 4096 mV și rezistența de feedback de 3,3 kΩ stabilesc curentul de excitație la aproximativ 4096 mV/3,3 kΩ=1.24mA. În consecință, conducerea atât a ADC, cât și a sursei de curent cu aceeași tensiune de referință permite o măsurare a raportului în care deriva tensiunii de referință nu afectează rezultatul conversiei.
Configurați MAX197 pentru un interval de intrare de la 0V la 5V și setați câștigul diferenţial al amplificatorului la 10 pentru a măsura valori de rezistență de până la 400Ω, reprezentând aproximativ 800 de grade. Microprocesorul poate linializa semnalul senzorului folosind un tabel de căutare. Pentru a calibra sistemul, înlocuiți RTD-ul cu două rezistențe de precizie (100Ω reprezentând zero, 300Ω sau mai mare reprezentând scara completă) și stocați rezultatele conversiei.
În loc să dedice circuite specifice pentru anumite game de intrare, circuitul prezentat în Figura 6 adaptează intrarea ADC pentru a se adapta oricărei game de semnal descrise mai devreme. Selectarea pinului de intrare și a intervalului de intrare ADC (Tabelul 1) permite alegerea configurației adecvate.
Figura 6. Acest circuit de intrare universal adaptează ADC-ul la domeniul de semnal pe fiecare canal de intrare.