Industrijski nadzorni sistemi se še naprej zanašajo na standardne analogne signale za prenos podatkov med procesno in nadzorno opremo. Stabilni signali tokovne zanke od 4 do 20 mA lahko zlahka prečkajo tisoče metrov, medtem ko so signali ±5 in ±10 V običajni tudi v industrijskih sistemih.
Ta opomba o aplikaciji prikazuje Maximove rešitve integriranega sistema za pridobivanje podatkov (DAS). Maximove rešitve DAS prihranijo prostor na plošči, porabo energije in čas načrtovanja, medtem ko pretvarjajo standardne industrijske analogne signale z minimalnimi zunanjimi komponentami.
Uvod
Kljub številnim različicam digitalnih vodil se industrijski nadzorni sistemi še naprej zanašajo na standardne analogne signale za prenos podatkov med procesno in nadzorno opremo. Na primer, procesni oddajniki v kemičnih obratih pretvarjajo-signale temperature in tlaka nizke ravni v stabilne signale tokovne zanke od 4 do 20 mA, ki zlahka potujejo na tisoče metrov.
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, ko ga poganja vir toka 100mA).
Krmilne funkcije znotraj procesnega okolja izvajajo PLC-ji (Programmable Logic Controllers), PCS-ji (Process Control Systems) ali (v zadnjem času) IPC-ji (Industrial Personal Computers). Ker so te naprave digitalni sistemi, ki izvajajo-specifično programsko opremo, je treba vse analogne signale pretvoriti v digitalne, preden jih lahko računalnik prebere.
A/D pretvorbo znotraj nadzornih sistemov izvajajo plošče ali škatle, imenovane "analogne periferne enote". Ti se pri namestitvi na daljavo (npr. na strojih) povežejo s CPE prek vodila sistemske hrbtne plošče ali fieldbus. Poleg digitalnega vezja (za komunikacijo CPE) te zunanje naprave vključujejo različne natančne analogne in mešane-signalne komponente. Potreba po več kanalih na ploščo ali manjših paketih (za strojno montažo) vodi do prostorskih in energetskih omejitev, kar predstavlja glavni izziv pri načrtovanju analognih zunanjih naprav. Naslednje vezje ponazarja tehnike kondicioniranja signala in opisuje metodo za digitalizacijo do osmih kanalov z uporabo enega samega čipa.
Sistem za pridobivanje podatkov
Napredni sistem za pridobivanje podatkov (slika 1) obsega multiplekser (mux) za preklapljanje med vhodnimi kanali, vezje za prilagajanje signala, ki zagotavlja prilagoditev ojačanja in odmika za različna vhodna območja, in analogno{1}}v-digitalni pretvornik (ADC) z referenčno napetostjo (VREF).
Slika 1. Ta diagram prikazuje osnovne komponente sistema za zajemanje podatkov.
Integrirane rešitve DAS
Z integracijo osnovnih modulov, prikazanih na sliki 1, je Maxim razvil vrsto sistemov za zajemanje podatkov z enim-čipom, ki prihranijo prostor na plošči, porabo energije in čas načrtovanja. Ti čipi zahtevajo minimalno količino zunanjih komponent (v nekaterih primerih nobene) in lahko pretvorijo večino standardnih signalov, ki so trenutno v uporabi. Vsaka naprava vključuje 12-bitni ADC, multiplekser in korekcijo ojačanja/odmika, ki vključuje serijski ali vzporedni digitalni vmesnik za preprosto povezavo z večino mikroprocesorjev.
Naslednji blokovni diagram (slika 2) prikazuje tipično konfiguracijo za to serijo. Glavne razlike so v digitalnem delu, ki je povezan z mikroprocesorjem. Vsak čip nudi 16 ali 5 enojnih-analognih vhodnih kanalov, povezanih z notranjim ADC prek-motplekserjev, zaščitenih pred napakami. Vsak kanal lahko prenese vhodne napetosti do<>.<>V in napaka na katerem koli kanalu ne vpliva na konverzije na katerem koli drugem kanalu.
Slika 2. Funkcije, prikazane na sliki 1, so integrirane v ta čip.
Vsak kanal je mogoče neodvisno programirati za standardno vhodno območje (0 do 5 V, 0 do 10 V, ± 5 V ali ± 10 V), medtem ko se napaja z enim 5 V napajanjem. Druge naprave imajo podobne strukture ojačanja, vendar sprejemajo različne vhodne razpone: unipolarne ali bipolarne 2V ali 4V ali unipolarne ali bipolarne VREF ali -VREF. Zmožnost spreminjanja 100-kratnega ojačanja z 10-odstotnim vhodnim odmikom (od -10V do +2V) razširi dinamični razpon za 14 bitov, kar povzroči sisteme z<>-bitno dinamično območje.
Notranji ADC je 12-bitni tip zaporednega približka, ki temelji na kapacitivnem DAC, kjer kapacitivnost MSB deluje tudi kot zadrževalni kondenzator v vezju vzorca/zadrževanja. Vsaka naprava lahko deluje z uporabo notranjega oscilatorja ali zunanje ure.
Naprave MAX196 do MAX199 uporabljajo impulze /WR za zagon in zaustavitev zajemanja, kar zagotavlja razmeroma dolge čase zajemanja v "zunanjem načinu zajemanja" brez upočasnitve hitrosti pretvorbe. Kratka zakasnitev zaslonke naprave in majhno tresenje zaslonke (<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.
Digitalni vmesnik
Za aplikacije, ki zahtevajo-hitre meritve, najbolje služijo vzporedni podatkovni vmesniki (MAX196 do MAX199). Te naprave dosegajo prepustnost 2 Ks/s pri taktu 100 MHz, kar zadostuje za večino -hitrostnih krmilnih zank. Za aplikacije z nižjo{8}}hitrostjo razpoložljive različice vmesnika, združljive z I²C-, prihranijo prostor na plošči in poenostavijo komunikacijo med DAS in mikrokrmilniki. Te naprave imajo kratke čase pretvorbe (10 μs), vendar serijski vmesnik omejuje njihovo prepustnost na 8 kbps.
Na primer, MAX197 sprejema vhode 0V do 10V, 0V do 5V, ±5V in ±10V. Impedanca vira, ki poganja te vhode, je glavna skrb uporabnikov. Med vzorčenjem ADC črpa tokovni impulz, da napolni svoj T/H kondenzator (kondenzator MSB za kapacitivne DAC). Zato je potreben hiter{10}}operacijski ojačevalnik z zadostno hitrostjo obračanja, da se zagotovi ustrezno uravnavanje napetosti med zajemanjem. Operacijski ojačevalniki MXL1013/MXL1014 se dobro obnesejo pri doseganju hitrih stopenj vzorčenja. Pri počasnejših operacijskih ojačevalnikih je treba čas zajemanja podaljšati.
Diferencialni vhodi, ki se uporabljajo v številnih sistemih za avtomatizacijo, so razmeroma neobčutljivi na-navadne motnje. V večini primerov zadostuje preprosto diferencialno ojačevalno vezje (slika 3) z vhodno impedanco, ki presega 1 MΩ. (Za višjo vhodno impedanco uporabite standardni instrumentalni ojačevalnik 3-op-amp.) Izhod, prikazan na sliki 3, je
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Za visoko zavrnitev-skupnega načina nastavite R1=R3 in R2=R4. Ojačanje prikazane kombinacije je 0,876, kar razširi vhodno območje ±10 V za približno 114 % za merjenje signalov zunaj območja. Ta prilagoditev zmanjša ločljivost pasu ±10 V na približno 11,8 bitov.
Slika 3. Preprost diferencialni ojačevalnik zagotavlja visoko vhodno impedanco in eno-izhod.
20 mA tokovna zanka
Tokovne zanke prenašajo majhne signale na velike razdalje v hrupnem okolju. Tok običajno ustvari procesni oddajnik, ki spremenljivke, kot sta temperatura ali tlak, pretvori v enosmerni tok v območju od 0 mA do 20 mA ali od 4 mA do 20 mA. Tok nato teče skozi shunt upor in ustvari sorazmeren padec napetosti, ki ga je enostavno digitalizirati. Ker združljiva napetost, ki je na voljo za pogon zanke-vključno z uporom žice-redko preseže 15 V do 18 V, je vrednost upora omejena na nekaj sto ohmov (slika 4).
Slika 4. Kombinacija ojačevalnika, prikazanega na sliki 3, s signalom tokovne zanke, ki izhaja iz 220Ω shunt upora, ustvari priročen enojni -izhod.To vezje ima enak diferencialni ojačevalnik kot ±10V kondicionirno vezje, skupaj z 220Ω shunt uporom. Ta upor kaže padec napetosti 4,20 V pri 4 mA in 5,25 V pri 5 mA. Ojačanje diferencialnega ojačevalnika se prilagodi na vhodu ADC na največ 4,62 V. Zato lahko DAS, programiran za vhod 0,5 V, digitalizira ta signal z največjo ločljivostjo 11,8 bitov.
Ker imata MAX198/MAX199 in MAX128 najmanjše vhodno območje v tej seriji, delujeta z majhnim shuntnim uporom, ne da bi bilo treba prilagajati ojačanje. Zaradi tega so bolj primerni za meritve 10 mA v sistemih, ki ne zahtevajo drugih-meritev na visoki ravni (do ±20 V). Če želite prilagoditi vezje, prikazano na sliki 4, za uporabo z MAX199, konfigurirajte MAX199 za vhodno območje od 0 do 2 V in spremenite upor 536 kΩ na 470 kΩ. Uporabite 86Ω preklopni upor.
Prilagoditev senzorja
Termočleni, merilniki napetosti in drugi običajni senzorji zagotavljajo nizko{0}}nelinearne signale, ki so občutljivi na EMI. Zato oddajnik 4–20 mA pred pošiljanjem teh informacij v nadzorni sistem najprej linearizira in kondicionira signal. Za manj kritične aplikacije merjenja temperature lahko uporovni temperaturni detektorji (RTD) merijo temperature do 850 stopinj na dolge razdalje, ne da bi bilo potrebno drago prilagajanje signala.
Najbolj priljubljen RTD je standardiziran platinasti temperaturni senzor, znan kot PT100, z uporom 0 Ω pri 100 stopinjah in linearnim temperaturnim koeficientom 0,38 Ω/stopinjo. Ima tudi manjši nelinearni temperaturni koeficient, zaradi česar je njegova značilnost Ω/stopinja skoraj linearna v ozkem območju. Za razliko od termočlenov, kjer izhodna napetost predstavlja temperaturno razliko med dvema točkama, upornost RTD neposredno predstavlja absolutno temperaturo senzorja.
Meritev se izvede tako, da skozi senzor poženete tok od 1 mA do 2 mA in izmerite padec napetosti na njegovih sponkah. Višji tokovi povzročijo napake pri merjenju zaradi samo-segrevanja, ki ga povzroča povečana disipacija moči v senzorju. Notranja referenca 4,096 V poenostavi ustvarjanje vzbujalnega toka senzorja (slika 5).
Slika 5. To vezje dovaja tok senzorju RTD in digitalizira nastali izhod.
Da preprečite, da bi odpornost žice vplivala na natančnost meritev, štiri neodvisne žice povežejo RTD z diferencialnim ojačevalnikom. Ker so žice za zaznavanje povezane z visoko-impedančnim vhodom ojačevalnika, je njihov tok zelo nizek, kar povzroči zanemarljiv padec napetosti. Referenčna napetost 4096 mV in povratni upor 3,3 kΩ nastavita vzbujalni tok na približno 4096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Posledično poganjanje ADC in tokovnega vira z isto referenčno napetostjo omogoča merjenje razmerja, pri katerem premik referenčne napetosti ne vpliva na rezultat pretvorbe.
Konfigurirajte MAX197 za vhodno območje od 0 V do 5 V in nastavite ojačanje diferencialnega ojačevalnika na 10 za merjenje vrednosti upora do 400 Ω, kar predstavlja približno 800 stopinj. Mikroprocesor lahko signal senzorja linearizira s pomočjo iskalne tabele. Za kalibracijo sistema zamenjajte RTD z dvema natančnima uporoma (100 Ω predstavlja ničlo, 300 Ω ali več pa predstavlja celotno lestvico) in shranite rezultate pretvorbe.
Namesto da bi posebna vezja namenila določenim vhodnim območjem, vezje, prikazano na sliki 6, prilagodi vhod ADC, da se prilagodi kateremu koli prej opisanemu obsegu signala. Izbira vhodnega pina in vhodnega območja ADC (tabela 1) omogoča izbiro ustrezne konfiguracije.
Slika 6. To univerzalno vhodno vezje prilagodi ADC razponu signala na vsakem vhodnem kanalu.