Az ipari vezérlőrendszerek továbbra is szabványos analóg jelekre támaszkodnak az adatátvitel során a folyamat- és vezérlőberendezések között. A stabil 4-20 mA áramhurok jelek több ezer lábon is könnyedén áthaladhatnak, míg a ±5 és ±10 V-os jelek szintén általánosak az ipari rendszerekben.
Ez az alkalmazási megjegyzés a Maxim integrált adatgyűjtő rendszer (DAS) megoldásait mutatja be. A Maxim DAS megoldásai helyet, energiafogyasztást és tervezési időt takarítanak meg, miközben a szabványos ipari analóg jeleket minimális külső komponensekkel alakítják át.
Bevezetés
A digitális terepi buszok többféle változata ellenére az ipari vezérlőrendszerek továbbra is szabványos analóg jelekre támaszkodnak a folyamat- és vezérlőberendezések közötti adatátvitelhez. Például a vegyi üzemek folyamattávadói az alacsony hőmérséklet- és nyomásjeleket stabil, 4–20 mA-es áramhurok jelekké alakítják át, amelyek könnyen több ezer lábnyi távolságra képesek megtenni.
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, ha 100 mA-es áramforrás hajtja).
A folyamatkörnyezeten belüli vezérlési funkciókat PLC-k (programozható logikai vezérlők), PCS-ek (folyamatvezérlő rendszerek) vagy (újabban) IPC-k (ipari személyi számítógépek) valósítják meg. Mivel ezek az eszközök digitális rendszerek, amelyek folyamatspecifikus szoftvert{1}} futtatnak, minden analóg jelet át kell alakítani digitálissá, mielőtt a számítógép elolvashatja azokat.
A vezérlőrendszereken belüli A/D konverziót az "analóg perifériáknak" nevezett kártyák vagy dobozok végzik. Ezek távolról telepítve (pl. gépeken) a rendszer hátlapi buszon vagy terepi buszon keresztül csatlakoznak a CPU-hoz. A digitális áramkörökön túl (a CPU-kommunikációhoz) ezek a perifériák különféle precíziós analóg és vegyes jelű{4}}komponenseket tartalmaznak. A kártyánkénti több csatorna vagy a kisebb csomagok (gépre szereléshez) szükségessége hely- és teljesítménykorlátokhoz vezet, ami az analóg perifériák számára az elsődleges tervezési kihívást jelenti. A következő áramkör a jelkondicionálási technikákat szemlélteti, és leír egy módszert akár nyolc csatorna digitalizálására egyetlen chip használatával.
Adatgyűjtő rendszer
A fejlett adatgyűjtő rendszer (1. ábra) tartalmaz egy multiplexert (mux) a bemeneti csatornák közötti váltáshoz, egy jelkondicionáló áramkört, amely az erősítést és az eltolást szabályozza a különböző bemeneti tartományokhoz, valamint egy analóg ---digitális átalakítót (ADC) referenciafeszültséggel (VREF).
1. ábra Ez a diagram az adatgyűjtő rendszer alapvető összetevőit szemlélteti.
Integrált DAS megoldások
Az 1. ábrán látható alapmodulok integrálásával a Maxim egy sor egy-chipes adatgyűjtő rendszert fejlesztett ki, amelyek helyet takarítanak meg az alaplapon, energiafogyasztást és tervezési időt takarítanak meg. Ezek a chipek minimális külső komponenst igényelnek (egyes esetekben egyiket sem), és a legtöbb jelenleg használt szabványos jelet képesek átalakítani. Mindegyik eszköz tartalmaz egy 12 bites ADC-t, multiplexert és erősítés/eltolás korrekciót, soros vagy párhuzamos digitális interfésszel a legtöbb mikroprocesszorhoz való egyszerű csatlakoztatás érdekében.
A következő blokkdiagram (2. ábra) ennek a sorozatnak egy tipikus konfigurációját szemlélteti. Az elsődleges különbségek a mikroprocesszorhoz csatlakoztatott digitális szakaszban rejlenek. Mindegyik chip 16 vagy 5 egy-végű analóg bemeneti csatornát biztosít a belső ADC-hez, hibavédett multiplexereken keresztül. Bármely csatorna képes ellenállni a bemeneti feszültségeknek legfeljebb<>.<>V, és bármely csatorna hibája nem befolyásolja a többi csatorna konverzióját.
2. ábra. Az 1. ábrán látható funkciók ebbe a chipbe vannak integrálva.
Mindegyik csatorna külön-külön programozható egy szabványos bemeneti tartományra (0–5 V, 0–10 V, ±5 V vagy ±10 V), miközben egyetlen 5 V-os tápellátásról gondoskodik. Más eszközök hasonló erősítési struktúrákkal rendelkeznek, de eltérő bemeneti tartományokat fogadnak el: unipoláris vagy bipoláris 2V vagy 4V, vagy unipoláris vagy bipoláris VREF vagy -VREF. A 100-szoros erősítés-változtatási képesség 10%-os bemeneti eltolás mellett (-10 V-ról +2V-ra) 14 bittel bővíti a dinamikatartományt, így a rendszer<>-bit dinamikus tartomány.
A belső ADC egy kapacitív DAC-n alapuló 12 bites egymás utáni közelítés, ahol az MSB kapacitás egyben tartókondenzátorként is funkcionál a minta/tartás áramkörben. Mindegyik eszköz belső oszcillátorral vagy külső órával működhet.
A MAX196-MAX199 eszközök /WR impulzusokat használnak az adatgyűjtés elindításához és leállításához, így viszonylag hosszú adatgyűjtési időt biztosítanak "külső adatgyűjtési módban" anélkül, hogy lassítanák az átalakítási sebességet. A készülék rövid rekesznyílás-késleltetése és alacsony rekeszremegés (<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.
Digitális interfész
A nagy sebességű mérést igénylő Ezek az eszközök 2Ksps átviteli sebességet érnek el 100 MHz-es órajel mellett, ami elegendő a legtöbb nagy sebességű vezérlőhurokhoz. Alacsonyabb-sebességű alkalmazásokhoz az elérhető I²C-kompatibilis interfészverziók helyet takarítanak meg a kártyán, és leegyszerűsítik a kommunikációt a DAS és a mikrovezérlők között. Ezek az eszközök gyors konverziós idővel rendelkeznek (10 μs), de a soros interfész 8 kbps-ra korlátozza az átviteli sebességet.
Például a MAX197 0V–10V, 0V–5V, ±5V és ±10V bemeneteket fogad el. Az ezeket a bemeneteket meghajtó forrásimpedancia elsődleges szempont a felhasználók számára. A mintavétel során az ADC áramimpulzust vesz fel, hogy feltöltse T/H kondenzátorát (a kapacitív DAC-k MSB kondenzátorát). Ezért egy gyors{10}}beállású műveleti erősítőre van szükség megfelelő fordulatszámmal, hogy biztosítsa a megfelelő feszültségbeállítást az adatgyűjtés során. Az MXL1013/MXL1014 műveleti erősítők jól teljesítenek a gyors mintavételezési sebesség elérésében. Lassabb műveleti erősítőknél a felvételi időt meg kell hosszabbítani.
A sok automatizálási rendszerben használt differenciális bemenetek viszonylag érzéketlenek az általános-módú interferenciára. A legtöbb esetben elegendő egy egyszerű differenciálerősítő áramkör (3. ábra), amelynek bemeneti impedanciája meghaladja az 1MΩ-t. (Nagyobb bemeneti impedanciához használjon szabványos 3-op-amp műszererősítőt.) A 3. ábrán látható kimenet
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
A nagy általános-mód-elutasítás érdekében állítsa be az R1=R3 és R2=R4 értékeket. A bemutatott kombináció erősítése 0,876, ami körülbelül 114%-kal kiterjeszti a ±10 V bemeneti tartományt a tartományon túli jelek mérésére. Ez a beállítás a ±10 V sáv felbontását körülbelül 11,8 bitre csökkenti.
3. ábra: Egy egyszerű differenciálerősítő nagy bemeneti impedanciát és egy-végű kimenetet biztosít.
20 mA áramhurok
Az áramhurkok kis jeleket továbbítanak nagy távolságokra zajos környezetben. Az áramot jellemzően egy folyamattávadó állítja elő, amely a változókat, például a hőmérsékletet vagy a nyomást egyenárammá alakítja a 0 mA és 20 mA vagy a 4 mA és 20 mA közötti tartományban. Az áram ezután egy söntellenálláson folyik keresztül, ezzel arányos feszültségesést hozva létre, amely könnyen digitalizálható. Mivel a hurok meghajtásához rendelkezésre álló megfelelő feszültség-beleértve a vezetékellenállást-ritkán haladja meg a 15–18 V-ot, az ellenállás értéke néhány száz ohmra korlátozódik (4. ábra).
4. ábra. A 3. ábrán látható erősítő kombinálása a 220Ω-os söntellenállásból származó áramhurok jellel egy kényelmes, egy-végű kimenetet eredményez.Ez az áramkör ugyanazt a differenciál-erősítőt tartalmazza, mint a ±10 V-os kondicionáló áramkör, valamint egy 220 Ω-os söntellenállást. Ez az ellenállás 4,20 V feszültségesést mutat 4 mA-nél és 5,25 V 5 mA-nél. A differenciálerősítő erősítését az ADC bemeneten maximum 4,62 V-ra állítják be. Ezért egy 0,5 V-os bemenetre programozott DAS ezt a jelet maximum 11,8 bites felbontással tudja digitalizálni.
Mivel a MAX198/MAX199 és a MAX128 a legkisebb bemeneti tartománnyal rendelkezik ebben a sorozatban, kis söntellenállással működnek anélkül, hogy erősítést kellene beállítani. Ez alkalmasabbá teszi őket 10 mA-es mérésekre olyan rendszerekben, amelyek nem igényelnek más magas szintű mérést (±20 V-ig). A 4. ábrán látható áramkör MAX199-hez való adaptálásához konfigurálja a MAX199-et 0 és 2 V közötti bemeneti tartományra, és módosítsa az 536 kΩ-os ellenállást 470 kΩ-ra. Használjon 86Ω sönt ellenállást.
Érzékelő adaptáció
A hőelemek, a nyúlásmérők és más általános érzékelők alacsony{0}}szintű nemlineáris jeleket biztosítanak, amelyek érzékenyek az EMI-re. Ezért, mielőtt ezt az információt elküldi a vezérlőrendszernek, egy 4-20 mA-es adó először linearizálja és kondicionálja a jelet. A kevésbé kritikus hőmérsékletmérési alkalmazásokhoz az ellenállás-hőmérséklet-érzékelők (RTD) akár 850 fokos hőmérsékletet is képesek mérni nagy távolságokon anélkül, hogy költséges jelkondicionálást igényelnének.
A legnépszerűbb RTD a PT100 néven ismert szabványos platina hőmérséklet-érzékelő, amelynek ellenállása 0Ω 100 fokon, lineáris hőmérsékleti együtthatója pedig 0,38Ω/fok. Kisebb nemlineáris hőmérsékleti együtthatóval is rendelkezik, így Ω/fok karakterisztikája közel lineáris egy szűk tartományban. A hőelemekkel ellentétben, ahol a kimeneti feszültség a két pont közötti hőmérséklet-különbséget jelenti, az RTD ellenállása közvetlenül az érzékelő abszolút hőmérsékletét jelenti.
A mérés úgy történik, hogy 1–2 mA áramot vezetünk át az érzékelőn, és mérjük a feszültségesést a kapcsai között. A nagyobb áramok mérési hibákat okoznak az érzékelőn belüli megnövekedett teljesítményveszteség miatti ön-felmelegedés miatt. A belső 4,096 V-os referencia leegyszerűsíti az érzékelő gerjesztőáramának előállítását (5. ábra).
5. ábra. Ez az áramkör látja el árammal az RTD érzékelőt, és digitalizálja a kapott kimenetet.
Annak elkerülése érdekében, hogy a vezeték ellenállása befolyásolja a mérési pontosságot, négy független vezeték köti össze az RTD-t a differenciálerősítővel. Mivel az érzékelő vezetékek az erősítő nagy-impedanciájú bemenetéhez csatlakoznak, áramuk nagyon alacsony, ami elhanyagolható feszültségesést eredményez. A 4096 mV-os referenciafeszültség és a 3,3 kΩ-os visszacsatoló ellenállás a gerjesztőáramot körülbelül 4096 mV/3,3 kΩ=1.24mA értékre állította be. Következésképpen az ADC és az áramforrás azonos referenciafeszültséggel történő meghajtása lehetővé teszi az aránymérést, ahol a referenciafeszültség eltolódása nem befolyásolja az átalakítás eredményét.
Konfigurálja a MAX197-et 0 V-tól 5 V-ig terjedő bemeneti tartományra, és állítsa a differenciálerősítő erősítését 10-re, hogy mérje az ellenállásértékeket 400 Ω-ig, ami körülbelül 800 fokot jelent. A mikroprocesszor képes linearizálni az érzékelő jelét egy keresőtábla segítségével. A rendszer kalibrálásához cserélje ki az RTD-t két precíziós ellenállásra (100 Ω a nullát, 300 Ω vagy nagyobb a teljes skálát jelenti), és tárolja az átalakítási eredményeket.
Ahelyett, hogy meghatározott áramköröket rendelne meghatározott bemeneti tartományokhoz, a 6. ábrán látható áramkör az ADC bemenetet igazítja a korábban leírt bármely jeltartományhoz. A bemeneti láb és az ADC bemeneti tartomány kiválasztása (1. táblázat) lehetővé teszi a megfelelő konfiguráció kiválasztását.
6. ábra Ez az univerzális bemeneti áramkör az ADC-t az egyes bemeneti csatornák jeltartományához igazítja.