Τα βιομηχανικά συστήματα ελέγχου συνεχίζουν να βασίζονται σε τυπικά αναλογικά σήματα για τη μετάδοση δεδομένων μεταξύ του εξοπλισμού διεργασίας και ελέγχου. Τα σταθερά σήματα βρόχου ρεύματος 4 έως 20 mA μπορούν εύκολα να διασχίσουν χιλιάδες πόδια, ενώ τα σήματα ±5 και ±10V είναι επίσης συνηθισμένα στα βιομηχανικά συστήματα.
Αυτή η σημείωση εφαρμογής παρουσιάζει τις λύσεις ολοκληρωμένου συστήματος απόκτησης δεδομένων (DAS) της Maxim. Οι λύσεις DAS της Maxim εξοικονομούν χώρο στην πλακέτα, κατανάλωση ενέργειας και χρόνο σχεδιασμού, ενώ μετατρέπουν τυπικά βιομηχανικά αναλογικά σήματα με ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα.
Εισαγωγή
Παρά τις πολλαπλές εκδόσεις των ψηφιακών διαύλων πεδίου, τα βιομηχανικά συστήματα ελέγχου συνεχίζουν να βασίζονται σε τυπικά αναλογικά σήματα για τη μετάδοση δεδομένων μεταξύ του εξοπλισμού διεργασίας και ελέγχου. Για παράδειγμα, οι πομποί διεργασιών σε χημικά εργοστάσια μετατρέπουν σήματα χαμηλής- θερμοκρασίας και πίεσης σε σταθερά σήματα βρόχου ρεύματος 4 έως 20 mA που μπορούν εύκολα να ταξιδέψουν χιλιάδες πόδια.
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 όταν οδηγείται από πηγή ρεύματος 100mA).
Οι λειτουργίες ελέγχου εντός του περιβάλλοντος διεργασίας υλοποιούνται από PLC (Programmable Logic Controllers), PCS (Process Control Systems) ή (πιο πρόσφατα) IPC (Industrial Personal Computers). Δεδομένου ότι αυτές οι συσκευές είναι ψηφιακά συστήματα που εκτελούν συγκεκριμένο λογισμικό{1}}διεργασιών, όλα τα αναλογικά σήματα πρέπει να μετατραπούν σε ψηφιακά για να τα διαβάσει ο υπολογιστής.
Η μετατροπή A/D στα συστήματα ελέγχου πραγματοποιείται από πλακέτες ή κουτιά που ονομάζονται "αναλογικά περιφερειακά". Αυτά συνδέονται με την CPU μέσω του διαύλου backplane ή του fieldbus του συστήματος όταν είναι εγκατεστημένα εξ αποστάσεως (π.χ. σε μηχανήματα). Πέρα από τα ψηφιακά κυκλώματα (για επικοινωνία CPU), αυτά τα περιφερειακά ενσωματώνουν διάφορα αναλογικά και μικτά{4}}εξαρτήματα σήματος ακριβείας. Η ανάγκη για περισσότερα κανάλια ανά πλακέτα ή μικρότερες συσκευασίες (για τοποθέτηση σε μηχανή) οδηγεί σε περιορισμούς χώρου και ισχύος, γεγονός που αποτελεί την κύρια πρόκληση σχεδιασμού για αναλογικά περιφερειακά. Το ακόλουθο κύκλωμα απεικονίζει τεχνικές ρύθμισης σήματος και περιγράφει μια μέθοδο για την ψηφιοποίηση έως και οκτώ καναλιών χρησιμοποιώντας ένα μόνο τσιπ.
Σύστημα Απόκτησης Δεδομένων
Το προηγμένο σύστημα λήψης δεδομένων (Εικόνα 1) περιλαμβάνει έναν πολυπλέκτη (mux) για εναλλαγή μεταξύ καναλιών εισόδου, ένα κύκλωμα ρύθμισης σήματος που παρέχει ρύθμιση απολαβής και μετατόπισης για διαφορετικές περιοχές εισόδου και έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) με τάση αναφοράς (VREF).
Εικόνα 1. Αυτό το διάγραμμα απεικονίζει τα βασικά στοιχεία του συστήματος απόκτησης δεδομένων.
Ολοκληρωμένες λύσεις DAS
Με την ενσωμάτωση των βασικών λειτουργικών μονάδων που φαίνονται στο Σχήμα 1, η Maxim έχει αναπτύξει μια σειρά από συστήματα απόκτησης δεδομένων ενός-τσιπ που εξοικονομούν χώρο στην πλακέτα, κατανάλωση ενέργειας και χρόνο σχεδίασης. Αυτά τα τσιπ απαιτούν ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα (σε ορισμένες περιπτώσεις κανένα) και μπορούν να μετατρέψουν τα περισσότερα τυπικά σήματα που χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή. Κάθε συσκευή ενσωματώνει ADC 12-bit, πολυπλέκτη και διόρθωση κέρδους/μετατόπισης, που διαθέτει σειριακή ή παράλληλη ψηφιακή διεπαφή για εύκολη σύνδεση με τους περισσότερους μικροεπεξεργαστές.
Το παρακάτω μπλοκ διάγραμμα (Εικόνα 2) απεικονίζει μια τυπική διαμόρφωση για αυτήν τη σειρά. Οι κύριες διαφορές έγκεινται στο ψηφιακό τμήμα που συνδέεται με τον μικροεπεξεργαστή. Κάθε τσιπ παρέχει 16 ή 5 μονό-αναλογικά κανάλια εισόδου συνδεδεμένα στο εσωτερικό ADC μέσω πολυπλέκτη που προστατεύεται από σφάλματα. Οποιοδήποτε κανάλι μπορεί να αντέξει τάσεις εισόδου έως και<>.<>V, και ένα σφάλμα σε οποιοδήποτε κανάλι δεν επηρεάζει τις μετατροπές σε κανένα άλλο κανάλι.
Εικόνα 2. Οι λειτουργίες που φαίνονται στο Σχήμα 1 είναι ενσωματωμένες σε αυτό το τσιπ.
Κάθε κανάλι μπορεί να προγραμματιστεί ανεξάρτητα για μια τυπική περιοχή εισόδου (0 έως 5V, 0 έως 10V, ±5V ή ±10V) ενώ τροφοδοτείται από μία μόνο παροχή 5V. Άλλες συσκευές διαθέτουν παρόμοιες δομές απολαβής, αλλά δέχονται διαφορετικές περιοχές εισόδου: μονοπολικό ή διπολικό 2V ή 4V, ή μονοπολικό ή διπολικό VREF ή -VREF. Η δυνατότητα μεταβολής κέρδους 100x με μετατόπιση εισόδου 10% (από -10V έως +2V) επεκτείνει το δυναμικό εύρος κατά 14 bit, με αποτέλεσμα συστήματα με<>-δυναμικό εύρος bit.
Το εσωτερικό ADC είναι ένας τύπος διαδοχικής προσέγγισης 12 bit που βασίζεται σε ένα χωρητικό DAC, όπου η χωρητικότητα MSB λειτουργεί επίσης ως πυκνωτής συγκράτησης στο κύκλωμα δείγματος/αναμονής. Κάθε συσκευή μπορεί να λειτουργήσει χρησιμοποιώντας είτε τον εσωτερικό ταλαντωτή είτε ένα εξωτερικό ρολόι.
Οι συσκευές MAX196 έως MAX199 χρησιμοποιούν παλμούς /WR για την έναρξη και τη διακοπή της λήψης, παρέχοντας σχετικά μεγάλους χρόνους λήψης σε "λειτουργία εξωτερικής λήψης" χωρίς επιβράδυνση της ταχύτητας μετατροπής. Η μικρή καθυστέρηση διαφράγματος της συσκευής και το τρεμόπαιγμα χαμηλού διαφράγματος (<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.
Ψηφιακή διεπαφή
Οι εφαρμογές που απαιτούν μετρήσεις υψηλής-ταχύτητας εξυπηρετούνται καλύτερα από παράλληλες διεπαφές δεδομένων (MAX196 έως MAX199). Αυτές οι συσκευές επιτυγχάνουν απόδοση 2Ksps σε ρυθμούς ρολογιού 100MHz, επαρκής για τους περισσότερους βρόχους ελέγχου υψηλής ταχύτητας-. Για εφαρμογές χαμηλότερης-ταχύτητας, οι διαθέσιμες εκδόσεις διεπαφής συμβατές με I²C- εξοικονομούν χώρο στην πλακέτα και απλοποιούν την επικοινωνία μεταξύ DAS και μικροελεγκτών. Αυτές οι συσκευές διαθέτουν γρήγορους χρόνους μετατροπής (10μs), αλλά η σειριακή διεπαφή περιορίζει την απόδοση τους στα 8 kbps.
Για παράδειγμα, το MAX197 δέχεται εισόδους 0V έως 10V, 0V έως 5V, ±5V και ±10V. Η σύνθετη αντίσταση πηγής που οδηγεί αυτές τις εισόδους αποτελεί πρωταρχικό μέλημα των χρηστών. Κατά τη δειγματοληψία, το ADC αντλεί έναν παλμό ρεύματος για να φορτίσει τον πυκνωτή T/H του (ο πυκνωτής MSB για τα χωρητικά DAC). Επομένως, απαιτείται{10}ένας λειτουργικός ενισχυτής γρήγορης καθίζησης με επαρκή ρυθμό περιστροφής για να διασφαλιστεί η επαρκής καθίζηση της τάσης κατά την απόκτηση. Οι λειτουργικοί ενισχυτές MXL1013/MXL1014 αποδίδουν καλά στην επίτευξη γρήγορων ρυθμών δειγματοληψίας. Για πιο αργούς λειτουργικούς ενισχυτές, ο χρόνος απόκτησης πρέπει να παραταθεί.
Οι διαφορικές είσοδοι που χρησιμοποιούνται σε πολλά συστήματα αυτοματισμού είναι σχετικά μη ευαίσθητες σε κοινές- παρεμβολές λειτουργίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αρκεί ένα απλό κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή (Εικόνα 3) με σύνθετη αντίσταση εισόδου άνω του 1MΩ. (Για υψηλότερη σύνθετη αντίσταση εισόδου, χρησιμοποιήστε έναν τυπικό ενισχυτή οργάνων 3-op-amp.) Η έξοδος που φαίνεται στο σχήμα 3 είναι
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Για υψηλή συχνή-απόρριψη λειτουργίας, ορίστε τα R1=R3 και R2=R4. Το κέρδος του παρουσιαζόμενου συνδυασμού είναι 0,876, επεκτείνοντας το εύρος εισόδου ±10V κατά περίπου 114% για τη μέτρηση σημάτων πέρα από το εύρος. Αυτή η προσαρμογή μειώνει την ανάλυση της ζώνης ±10V σε περίπου 11,8 bit.
Σχήμα 3. Ένας απλός διαφορικός ενισχυτής παρέχει υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και μονή-έξοδο.
Βρόχος ρεύματος 20 mA
Οι βρόχοι ρεύματος μεταδίδουν μικρά σήματα σε μεγάλες αποστάσεις σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Το ρεύμα παράγεται συνήθως από έναν πομπό διεργασίας, ο οποίος μετατρέπει μεταβλητές όπως η θερμοκρασία ή η πίεση σε συνεχές ρεύμα εντός του εύρους 0mA έως 20mA ή 4mA έως 20mA. Στη συνέχεια, το ρεύμα ρέει μέσω μιας αντίστασης διακλάδωσης, δημιουργώντας μια αναλογική πτώση τάσης που ψηφιοποιείται εύκολα. Δεδομένου ότι η συμβατή τάση που είναι διαθέσιμη για την οδήγηση του βρόχου-συμπεριλαμβανομένης της αντίστασης καλωδίου-σπάνια υπερβαίνει τα 15V έως 18V, η τιμή της αντίστασης περιορίζεται σε μερικές εκατοντάδες ohms (Εικόνα 4).
Σχήμα 4. Ο συνδυασμός του ενισχυτή που φαίνεται στο Σχήμα 3 με το σήμα βρόχου ρεύματος που προέρχεται από την αντίσταση διακλάδωσης 220Ω παράγει μια βολική μονή- έξοδο.Αυτό το κύκλωμα διαθέτει τον ίδιο διαφορικό ενισχυτή με το κύκλωμα κλιματισμού ±10V, μαζί με μια αντίσταση διακλάδωσης 220Ω. Αυτή η αντίσταση παρουσιάζει πτώση τάσης 4,20 V στα 4 mA και 5,25 V στα 5 mA. Το κέρδος του διαφορικού ενισχυτή ρυθμίζεται στην είσοδο ADC στο μέγιστο 4,62 V. Επομένως, ένα DAS προγραμματισμένο για είσοδο 0,5 V μπορεί να ψηφιοποιήσει αυτό το σήμα με μέγιστη ανάλυση 11,8 bit.
Επειδή τα MAX198/MAX199 και MAX128 έχουν το μικρότερο εύρος εισόδου σε αυτή τη σειρά, λειτουργούν με μια μικρή αντίσταση διακλάδωσης χωρίς να απαιτείται ρύθμιση απολαβής. Αυτό τα καθιστά πιο κατάλληλα για μετρήσεις 10mA σε συστήματα που δεν απαιτούν άλλες μετρήσεις υψηλού επιπέδου (έως ±20V). Για να προσαρμόσετε το κύκλωμα που φαίνεται στην Εικόνα 4 για χρήση με το MAX199, διαμορφώστε το MAX199 για εύρος εισόδου 0 έως 2V και αλλάξτε την αντίσταση 536kΩ σε 470kΩ. Χρησιμοποιήστε μια αντίσταση διακλάδωσης 86Ω.
Προσαρμογή αισθητήρα
Θερμοζεύγη, μετρητές τάσης και άλλοι κοινοί αισθητήρες παρέχουν μη γραμμικά σήματα χαμηλού επιπέδου που είναι ευαίσθητα στο EMI. Επομένως, πριν στείλετε αυτές τις πληροφορίες στο σύστημα ελέγχου, ένας πομπός 4-20 mA πρώτα γραμμικοποιεί και ρυθμίζει το σήμα. Για λιγότερο κρίσιμες εφαρμογές μέτρησης θερμοκρασίας, οι ανιχνευτές θερμοκρασίας αντίστασης (RTD) μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες έως και 850 μοίρες σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να απαιτούν ακριβή ρύθμιση σήματος.
Το πιο δημοφιλές RTD είναι ο τυποποιημένος αισθητήρας θερμοκρασίας πλατίνας γνωστός ως PT100, με αντίσταση 0Ω στις 100 μοίρες και γραμμικό συντελεστή θερμοκρασίας 0,38Ω/βαθμό. Παρουσιάζει επίσης έναν μικρότερο μη γραμμικό συντελεστή θερμοκρασίας, καθιστώντας το χαρακτηριστικό του Ω/βαθμού σχεδόν γραμμικό σε ένα στενό εύρος. Σε αντίθεση με τα θερμοστοιχεία, όπου η τάση εξόδου αντιπροσωπεύει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σημείων, η αντίσταση του RTD αντιπροσωπεύει άμεσα την απόλυτη θερμοκρασία του αισθητήρα.
Η μέτρηση επιτυγχάνεται με τη διοχέτευση ρεύματος 1mA έως 2mA μέσω του αισθητήρα και τη μέτρηση της πτώσης τάσης στους ακροδέκτες του. Τα υψηλότερα ρεύματα προκαλούν σφάλματα μέτρησης λόγω της αυτοθέρμανσης-που προκαλείται από την αυξημένη απαγωγή ισχύος εντός του αισθητήρα. Μια εσωτερική αναφορά 4,096 V απλοποιεί τη δημιουργία του ρεύματος διέγερσης του αισθητήρα (Εικόνα 5).
Εικόνα 5. Αυτό το κύκλωμα παρέχει ρεύμα στον αισθητήρα RTD και ψηφιοποιεί την έξοδο που προκύπτει.
Για να αποτρέψετε την αντίσταση του καλωδίου να επηρεάσει την ακρίβεια μέτρησης, τέσσερα ανεξάρτητα καλώδια συνδέουν το RTD με τον διαφορικό ενισχυτή. Εφόσον τα καλώδια ανίχνευσης συνδέονται με την είσοδο υψηλής-σύνθετης αντίστασης του ενισχυτή, το ρεύμα τους είναι πολύ χαμηλό, με αποτέλεσμα αμελητέα πτώση τάσης. Η τάση αναφοράς 4096mV και η αντίσταση ανάδρασης 3,3kΩ ρυθμίζουν το ρεύμα διέγερσης σε περίπου 4096mV/3,3kΩ=1.24mA. Κατά συνέπεια, η οδήγηση τόσο του ADC όσο και της πηγής ρεύματος με την ίδια τάση αναφοράς επιτρέπει μια μέτρηση λόγου όπου η μετατόπιση τάσης αναφοράς δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα μετατροπής.
Διαμορφώστε το MAX197 για εύρος εισόδου 0V έως 5V και ρυθμίστε το κέρδος του διαφορικού ενισχυτή στο 10 για να μετρήσετε τιμές αντίστασης έως και 400Ω, που αντιπροσωπεύουν περίπου 800 μοίρες. Ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να γραμμικοποιήσει το σήμα του αισθητήρα χρησιμοποιώντας έναν πίνακα αναζήτησης. Για να βαθμονομήσετε το σύστημα, αντικαταστήστε το RTD με δύο αντιστάσεις ακριβείας (100Ω που αντιπροσωπεύει το μηδέν, 300Ω ή υψηλότερο που αντιπροσωπεύει την πλήρη κλίμακα) και αποθηκεύστε τα αποτελέσματα μετατροπής.
Αντί να αφιερώνει συγκεκριμένα κυκλώματα σε συγκεκριμένες περιοχές εισόδου, το κύκλωμα που φαίνεται στο Σχήμα 6 προσαρμόζει την είσοδο ADC για να φιλοξενήσει οποιοδήποτε εύρος σήματος που περιγράφηκε προηγουμένως. Η επιλογή του ακροδέκτη εισόδου και του εύρους εισόδου ADC (Πίνακας 1) επιτρέπει την επιλογή της κατάλληλης διαμόρφωσης.
Εικόνα 6. Αυτό το γενικό κύκλωμα εισόδου προσαρμόζει το ADC στην περιοχή σήματος σε κάθε κανάλι εισόδου.