Priemyselné riadiace systémy sa naďalej spoliehajú na štandardné analógové signály na prenos údajov medzi procesným a riadiacim zariadením. Stabilné signály prúdovej slučky 4 až 20 mA môžu ľahko prejsť tisíce stôp, zatiaľ čo signály ± 5 a ± 10 V sú tiež bežné v priemyselných systémoch.
Táto aplikačná poznámka predstavuje riešenia integrovaného systému zberu údajov (DAS) od spoločnosti Maxim. Riešenia DAS spoločnosti Maxim šetria miesto na doske, spotrebu energie a čas potrebný na návrh, pričom konvertujú štandardné priemyselné analógové signály s minimom externých komponentov.
Úvod
Napriek viacerým verziám digitálnych priemyselných zberníc sa priemyselné riadiace systémy naďalej spoliehajú na štandardné analógové signály na prenos údajov medzi procesom a riadiacim zariadením. Procesné vysielače v chemických závodoch napríklad premieňajú signály nízkej-úrovne teploty a tlaku na stabilné signály prúdovej slučky 4 až 20 mA, ktoré môžu ľahko prejsť tisíce stôp.
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 (>1 mV pri napájaní zo zdroja prúdu 100 mA).
Riadiace funkcie v rámci procesného prostredia sú implementované PLC (Programmable Logic Controllers), PCS (Process Control Systems) alebo (novšie) IPC (Industrial Personal Computers). Keďže tieto zariadenia sú digitálnymi systémami so špecifickým{1}}procesom, všetky analógové signály sa musia skonvertovať na digitálne, aby ich počítač mohol prečítať.
A/D prevod v rámci riadiacich systémov sa vykonáva pomocou dosiek alebo boxov nazývaných "analógové periférne zariadenia". Tieto sa pri vzdialenej inštalácii (napr. na strojoch) pripájajú k CPU cez základnú zbernicu systému alebo prevádzkovú zbernicu. Okrem digitálnych obvodov (na komunikáciu s procesorom) tieto periférne zariadenia obsahujú rôzne presné analógové a zmiešané-súčiastky signálu. Potreba väčšieho počtu kanálov na dosku alebo menších balení (na montáž do stroja) vedie k priestorovým a napájacím obmedzeniam, čo predstavuje primárnu konštrukčnú výzvu pre analógové periférie. Nasledujúci obvod znázorňuje techniky úpravy signálu a opisuje spôsob digitalizácie až ôsmich kanálov pomocou jedného čipu.
Systém získavania údajov
Pokročilý systém zberu údajov (obrázok 1) obsahuje multiplexor (mux) na prepínanie medzi vstupnými kanálmi, obvod na úpravu signálu poskytujúci nastavenie zisku a posunu pre rôzne vstupné rozsahy a analógový-na{2}}digitálny prevodník (ADC) s referenčným napätím (VREF).
Obrázok 1. Tento diagram znázorňuje základné komponenty systému zberu údajov.
Integrované riešenia DAS
Integráciou základných modulov znázornených na obrázku 1 vyvinul Maxim sériu jednočipových systémov na zber údajov, ktoré šetria miesto na doske, spotrebu energie a čas potrebný na návrh. Tieto čipy vyžadujú minimum externých komponentov (v niektorých prípadoch žiadne) a dokážu konvertovať väčšinu štandardných signálov, ktoré sa v súčasnosti používajú. Každé zariadenie obsahuje 12-bitový ADC, multiplexer a korekciu zisku/offsetu so sériovým alebo paralelným digitálnym rozhraním pre jednoduché pripojenie k väčšine mikroprocesorov.
Nasledujúca bloková schéma (obrázok 2) znázorňuje typickú konfiguráciu pre túto sériu. Primárne rozdiely spočívajú v digitálnej časti pripojenej k mikroprocesoru. Každý čip poskytuje 16 alebo 5 samostatných-analógových vstupných kanálov pripojených k internému ADC cez multiplexory s ochranou proti poruchám. Každý kanál odolá vstupnému napätiu až<>.<>V a chyba na žiadnom kanáli neovplyvní konverzie na žiadnom inom kanáli.
Obrázok 2. Funkcie zobrazené na obrázku 1 sú integrované do tohto čipu.
Každý kanál je možné nezávisle naprogramovať na štandardný vstupný rozsah (0 až 5V, 0 až 10V, ±5V alebo ±10V), pričom je napájaný jedným 5V napájaním. Iné zariadenia majú podobné štruktúry zosilnenia, ale akceptujú rôzne vstupné rozsahy: unipolárne alebo bipolárne 2V alebo 4V alebo unipolárne alebo bipolárne VREF alebo -VREF. Možnosť 100-násobnej variácie zisku s 10% vstupným posunom (od -10 V do +2V) rozširuje dynamický rozsah o 14 bitov, výsledkom čoho sú systémy s<>-bitový dynamický rozsah.
Interný ADC je 12-bitový postupný typ aproximácie založený na kapacitnom DAC, kde kapacita MSB funguje aj ako pridržiavací kondenzátor vo vzorkovacom/zádržnom obvode. Každé zariadenie môže pracovať buď pomocou interného oscilátora alebo externých hodín.
Zariadenia MAX196 až MAX199 využívajú impulzy /WR na spustenie a zastavenie snímania, čím poskytujú relatívne dlhé časy snímania v „režime externého snímania“ bez spomalenia rýchlosti konverzie. Krátke oneskorenie clony a nízke chvenie clony (<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.
Digitálne rozhranie
Aplikáciám vyžadujúcim-rýchlostné merania najlepšie poslúžia paralelné dátové rozhrania (MAX196 až MAX199). Tieto zariadenia dosahujú priepustnosť 2 Ksps pri frekvencii hodín 100 MHz, čo je dostatočné pre väčšinu-vysokorýchlostných regulačných slučiek. Pre aplikácie s nižšou{8}}rýchlosťou sú dostupné verzie rozhrania kompatibilné s I²C-, ktoré šetria miesto na doske a zjednodušujú komunikáciu medzi DAS a mikrokontrolérmi. Tieto zariadenia sa vyznačujú rýchlymi konverznými časmi (10 μs), ale sériové rozhranie obmedzuje ich priepustnosť na 8 kbps.
Napríklad MAX197 akceptuje vstupy 0V až 10V, 0V až 5V, ±5V a ±10V. Zdrojová impedancia poháňajúca tieto vstupy je primárnym záujmom používateľov. Počas vzorkovania ADC čerpá prúdový impulz, aby nabil svoj T/H kondenzátor (kondenzátor MSB pre kapacitné DAC). Preto je potrebný rýchly{10}}operačný zosilňovač s dostatočnou rýchlosťou nábehu, aby sa zabezpečilo primerané ustálenie napätia počas snímania. Operačné zosilňovače MXL1013/MXL1014 fungujú dobre pri dosahovaní rýchlych vzorkovacích frekvencií. Pri pomalších operačných zosilňovačoch je potrebné predĺžiť čas akvizície.
Rozdielové vstupy používané v mnohých automatizačných systémoch sú relatívne necitlivé na rušenie v bežnom{0}}režime. Vo väčšine prípadov postačuje jednoduchý obvod diferenciálneho zosilňovača (obrázok 3) so vstupnou impedanciou presahujúcou 1MΩ. (Pre vyššiu vstupnú impedanciu použite štandardný 3-operačný prístrojový zosilňovač.) Výstup zobrazený na obrázku 3 je
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Pre vysoké odmietnutie bežného{0}}režimu nastavte R1=R3 a R2=R4. Zosilnenie zobrazenej kombinácie je 0,876, čím sa rozširuje vstupný rozsah ±10 V približne o 114% na meranie signálov mimo rozsahu. Táto úprava znižuje rozlíšenie pásma ±10V na približne 11,8 bitov.
Obrázok 3. Jednoduchý diferenciálny zosilňovač poskytuje vysokú vstupnú impedanciu a výstup s jedným výstupom.
Prúdová slučka 20 mA
Prúdové slučky prenášajú malé signály na veľké vzdialenosti v hlučnom prostredí. Prúd je typicky generovaný procesným vysielačom, ktorý premieňa premenné, ako je teplota alebo tlak, na jednosmerný prúd v rozsahu 0 mA až 20 mA alebo 4 mA až 20 mA. Prúd potom preteká bočným odporom a vytvára proporcionálny pokles napätia, ktorý sa dá ľahko digitalizovať. Keďže vyhovujúce napätie dostupné na riadenie slučky-vrátane odporu vodiča- zriedka prekračuje 15 V až 18 V, hodnota odporu je obmedzená na niekoľko stoviek ohmov (obrázok 4).
Obrázok 4. Kombinácia zosilňovača znázorneného na obrázku 3 so signálom prúdovej slučky odvodeným z 220Ω bočného odporu vytvára pohodlný výstup s jedným výstupom.Tento obvod obsahuje rovnaký diferenciálny zosilňovač ako ±10V kondicionačný obvod spolu s 220Ω bočným odporom. Tento rezistor vykazuje pokles napätia 4,20 V pri 4 mA a 5,25 V pri 5 mA. Zosilnenie diferenciálneho zosilňovača je nastavené na vstupe ADC na maximálne 4,62 V. Preto DAS naprogramovaný pre vstup 0,5 V dokáže tento signál digitalizovať s maximálnym rozlíšením 11,8 bitov.
Pretože MAX198/MAX199 a MAX128 majú najmenší vstupný rozsah v tejto sérii, pracujú s malým bočným odporom bez potreby nastavenia zisku. Vďaka tomu sú vhodnejšie na merania 10 mA v systémoch, ktoré nevyžadujú iné merania vysokej úrovne (až do ±20 V). Ak chcete prispôsobiť obvod zobrazený na obrázku 4 na použitie s MAX199, nakonfigurujte MAX199 na vstupný rozsah 0 až 2 V a zmeňte odpor 536 kΩ na 470 kΩ. Použite skratový odpor 86Ω.
Prispôsobenie snímača
Termočlánky, tenzometre a ďalšie bežné senzory poskytujú nízko{0}}úrovňové nelineárne signály, ktoré sú citlivé na EMI. Preto pred odoslaním tejto informácie do riadiaceho systému vysielač 4-20 mA najprv linearizuje a upravuje signál. Pre menej kritické aplikácie merania teploty môžu odporové teplotné detektory (RTD) merať teploty až do 850 stupňov na veľké vzdialenosti bez potreby nákladnej úpravy signálu.
Najpopulárnejším RTD je štandardizovaný platinový teplotný senzor známy ako PT100 s odporom 0Ω pri 100 stupňoch a lineárnym teplotným koeficientom 0,38Ω/stupeň. Vykazuje tiež menší nelineárny teplotný koeficient, vďaka čomu je jeho charakteristika Ω / stupeň takmer lineárna v úzkom rozsahu. Na rozdiel od termočlánkov, kde napäťový výstup predstavuje teplotný rozdiel medzi dvoma bodmi, odpor RTD priamo predstavuje absolútnu teplotu snímača.
Meranie sa dosiahne vedením prúdu 1 mA až 2 mA cez snímač a meraním poklesu napätia na jeho svorkách. Vyššie prúdy spôsobujú chyby merania v dôsledku vlastného-zahrievania spôsobeného zvýšeným rozptylom energie v senzore. Interná referencia 4,096 V zjednodušuje generovanie budiaceho prúdu snímača (obrázok 5).
Obrázok 5. Tento obvod dodáva prúd do snímača RTD a digitalizuje výsledný výstup.
Aby odpor vodiča neovplyvňoval presnosť merania, štyri nezávislé vodiče spájajú RTD s diferenciálnym zosilňovačom. Keďže sa snímacie vodiče pripájajú k vysoko-impedančnému vstupu zosilňovača, ich prúd je veľmi nízky, čo vedie k zanedbateľnému poklesu napätia. Referenčné napätie 4096 mV a odpor spätnej väzby 3,3 kΩ nastavujú budiaci prúd na približne 4 096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. V dôsledku toho napájanie ADC aj zdroja prúdu rovnakým referenčným napätím umožňuje meranie pomeru, kde posun referenčného napätia neovplyvňuje výsledok prevodu.
Nakonfigurujte MAX197 na vstupný rozsah 0 V až 5 V a nastavte zosilnenie diferenciálneho zosilňovača na 10, aby ste zmerali hodnoty odporu až do 400 Ω, čo predstavuje približne 800 stupňov. Mikroprocesor dokáže linearizovať signál snímača pomocou vyhľadávacej tabuľky. Ak chcete systém kalibrovať, nahraďte RTD dvoma presnými odpormi (100 Ω predstavuje nulu, 300 Ω alebo viac predstavuje plný rozsah) a uložte výsledky prevodu.
Namiesto prideľovania špecifických obvodov konkrétnym vstupným rozsahom, obvod zobrazený na obrázku 6 prispôsobuje vstup ADC tak, aby vyhovoval akémukoľvek rozsahu signálu opísanému vyššie. Výber vstupného kolíka a vstupného rozsahu ADC (tabuľka 1) umožňuje výber vhodnej konfigurácie.
Obrázok 6. Tento univerzálny vstupný obvod prispôsobuje ADC rozsahu signálu na každom vstupnom kanáli.