Is-sistemi ta 'kontroll industrijali jkomplu jiddependu fuq sinjali analogi standard biex jittrasmettu d-data bejn it-tagħmir tal-proċess u l-kontroll. Sinjali stabbli ta 'linja kurrenti ta' 4 sa 20mA jistgħu faċilment jaqsmu eluf ta 'saqajn, filwaqt li sinjali ±5 u ±10V huma wkoll komuni f'sistemi industrijali.
Din in-nota tal-applikazzjoni turi s-soluzzjonijiet tas-sistema integrata tal-akkwist tad-dejta (DAS) ta 'Maxim. Is-soluzzjonijiet DAS ta 'Maxim jiffrankaw l-ispazju tal-bord, il-konsum tal-enerġija, u l-ħin tad-disinn filwaqt li jikkonvertu sinjali analogi industrijali standard b'komponenti esterni minimi.
Introduzzjoni
Minkejja verżjonijiet multipli ta 'fieldbuses diġitali, is-sistemi ta' kontroll industrijali jkomplu jiddependu fuq sinjali analogi standard biex jittrasmettu data bejn it-tagħmir tal-proċess u l-kontroll. Pereżempju, it-trasmettituri tal-proċess f'impjanti kimiċi jikkonvertu sinjali ta' livell-baxx ta' temperatura u pressjoni f'sinjali stabbli ta' linja kurrenti ta' 4 sa 20mA li jistgħu faċilment jivvjaġġaw eluf ta' piedi.
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 meta misjuqa minn sors ta 'kurrent ta' 100mA).
Funzjonijiet ta 'kontroll fi ħdan l-ambjent tal-proċess huma implimentati minn PLCs (Kontrolluri Loġiċi Programmabbli), PCSs (Sistemi ta' Kontroll tal-Proċess), jew (aktar reċentement) IPCs (Kompjuters Personali Industrijali). Peress li dawn l-apparati huma sistemi diġitali li jħaddmu softwer speċifiku ta' proċess-, is-sinjali analogi kollha jridu jiġu kkonvertiti għal diġitali qabel ma l-kompjuter ikun jista' jaqrahom.
Il-konverżjoni A/D fi ħdan is-sistemi ta' kontroll titwettaq minn bordijiet jew kaxxi msejħa "periferali analogi." Dawn jikkonnettjaw mas-CPU permezz tal-backplane bus jew fieldbus tas-sistema meta jiġu installati mill-bogħod (eż., fuq il-makkinarju). Lil hinn minn ċirkwiti diġitali (għall-komunikazzjoni tas-CPU), dawn il-periferali jinkorporaw diversi komponenti ta' sinjal ta' preċiżjoni analogi u mħallta-. Il-ħtieġa għal aktar kanali għal kull bord jew pakketti iżgħar (għall-immuntar tal-magni) twassal għal restrizzjonijiet ta 'spazju u enerġija, li tippreżenta l-isfida primarja tad-disinn għall-periferali analogi. Iċ-ċirkwit li ġej juri tekniki ta 'kondizzjonament tas-sinjali u jiddeskrivi metodu għad-diġitizzazzjoni sa tmien kanali bl-użu ta' ċippa waħda.
Sistema ta' Akkwist tad-Data
Is-sistema avvanzata ta 'akkwist tad-dejta (Figura 1) tinkludi multiplexer (mux) għall-bidla bejn kanali ta' input, ċirkwit ta 'kondizzjonament tas-sinjal li jipprovdi aġġustament ta' gwadann u offset għal firxiet ta 'input differenti, u konvertitur analogu-għa-diġitali (ADC) b'vultaġġ ta' referenza (VREF).
Figura 1. Din id-dijagramma turi l-komponenti bażiċi tas-sistema ta 'akkwist tad-dejta.
Soluzzjonijiet DAS integrati
Billi jintegra l-moduli bażiċi murija fil-Figura 1, Maxim żviluppa serje ta 'sistemi ta' akkwist tad-data ta '-ċippa waħda li jiffrankaw l-ispazju tal-bord, il-konsum tal-enerġija, u l-ħin tad-disinn. Dawn iċ-ċipep jeħtieġu komponenti esterni minimi (ebda f'xi każijiet) u jistgħu jikkonvertu l-biċċa l-kbira tas-sinjali standard li qed jintużaw bħalissa. Kull apparat jinkorpora ADC 12-bit, multiplexer, u korrezzjoni ta 'gwadann/offset, li fih interface diġitali serjali jew parallel għal konnessjoni faċli mal-biċċa l-kbira tal-mikroproċessuri.
Id-dijagramma blokk li ġejja (Figura 2) turi konfigurazzjoni tipika għal din is-serje. Id-differenzi primarji jinsabu fit-taqsima diġitali konnessa mal-mikroproċessur. Kull ċippa tipprovdi 16 jew 5 kanali ta' input analogu b'tarf wieħed-konnessi mal-ADC intern permezz ta' multiplexers protetti minn ħsara-. Kwalunkwe kanal jista 'jiflaħ vultaġġi ta' input sa<>.<>V, u ħsara fuq kwalunkwe kanal ma taffettwax konverżjonijiet fuq kwalunkwe kanal ieħor.
Figura 2. Il-funzjonijiet murija fil-Figura 1 huma integrati f'din iċ-ċippa.
Kull kanal jista 'jiġi pprogrammat b'mod indipendenti għal firxa ta' input standard (0 sa 5V, 0 sa 10V, ± 5V, jew ± 10V) waqt li jkun imħaddem minn provvista waħda ta '5V. Apparati oħra għandhom strutturi ta' gwadann simili iżda jaċċettaw firxiet ta' input differenti: 2V jew 4V unipolari jew bipolari, jew VREF jew -VREF unipolari jew bipolari. Il-kapaċità ta' varjazzjoni ta' gwadann ta' 100x b'offset ta' input ta' 10% (minn -10V sa +2V) tespandi l-firxa dinamika b'14-il bit, li tirriżulta f'sistemi b'<>-bit medda dinamika.
L-ADC intern huwa tip ta 'approssimazzjoni suċċessiva ta' 12-il bit ibbażat fuq DAC abilità, fejn il-kapaċità MSB taħdem ukoll bħala l-kapaċitatur tal-istiva fiċ-ċirkwit tal-kampjun/istiva. Kull apparat jista 'jopera bl-użu jew l-oxxillatur intern jew arloġġ estern.
L-apparati MAX196 sa MAX199 jutilizzaw impulsi /WR biex jibdew u jwaqqfu l-akkwist, u jipprovdu ħinijiet ta 'akkwist relattivament twal f'"modalità ta' akkwist estern" mingħajr ma tnaqqas il-veloċità tal-konverżjoni. Id-dewmien tal-apertura qasira tal-apparat u jitter tal-apertura baxxa (<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.
Interface Diġitali
Applikazzjonijiet li jeħtieġu kejl ta'-veloċità għolja huma moqdija bl-aħjar mod minn interfaces tad-dejta paralleli (MAX196 sa MAX199). Dawn l-apparati jiksbu throughput ta' 2Ksps b'rati ta' arloġġ ta' 100MHz, biżżejjed għall-biċċa l-kbira ta'-loops ta' kontroll ta' veloċità għolja. Għal applikazzjonijiet ta'-veloċità aktar baxxa, il-verżjonijiet tal-interface kompatibbli I²C-disponibbli jiffrankaw l-ispazju fuq il-bord u jissimplifikaw il-komunikazzjoni bejn id-DAS u l-mikrokontrolluri. Dawn l-apparati għandhom ħinijiet ta 'konverżjoni mgħaġġla (10μs), iżda l-interface tas-serje jillimita l-fluss tagħhom għal 8kbps.
Pereżempju, il-MAX197 jaċċetta inputs 0V sa 10V, 0V sa 5V, ± 5V, u ± 10V. L-impedenza tas-sors li tmexxi dawn l-inputs hija tħassib primarju għall-utenti. Waqt it-teħid tal-kampjuni, l-ADC jiġbed polz kurrenti biex jiċċarġja l-kapaċitatur T/H tiegħu (il-kapaċitatur MSB għal DACs abilità). Għalhekk, huwa meħtieġ amplifikatur operattiv-settling mgħaġġel b'rata ta' slew biżżejjed biex jiżgura settjar adegwat tal-vultaġġ waqt l-akkwist. L-amplifikaturi operattivi MXL1013/MXL1014 jaħdmu tajjeb fil-kisba ta 'rati ta' kampjunar mgħaġġla. Għal amplifikaturi operattivi aktar bil-mod, il-ħin tal-akkwist għandu jiġi estiż.
L-inputs differenzjali użati f'ħafna sistemi ta' awtomazzjoni huma relattivament insensittivi għall-interferenza tal-mod{0}}komuni. Fil-biċċa l-kbira tal-każijiet, ċirkwit sempliċi amplifikatur differenzjali (Figura 3) b'impedenza tad-dħul li taqbeż 1MΩ huwa biżżejjed. (Għal impedenza ta' input ogħla, uża amplifikatur ta' strumentazzjoni op-amp standard 3-.) L-output muri fil-Figura 3 huwa
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Għal rifjut għoli ta'-modalità komuni, issettja R1=R3 u R2=R4. Il-gwadann tal-kombinazzjoni murija huwa 0.876, li jestendi l-firxa tad-dħul ta '±10V b'madwar 114% biex ikejjel is-sinjali lil hinn mill-medda. Dan l-aġġustament inaqqas ir-riżoluzzjoni tal-medda ± 10V għal madwar 11.8 bits.
Figura 3. Amplifikatur differenzjali sempliċi jipprovdi impedenza tad-dħul għolja u output ta'-tarf wieħed.
20mA Kurrent Loop
Il-linji tal-kurrent jittrasmettu sinjali żgħar fuq distanzi twal f'ambjenti storbjużi. Il-kurrent huwa tipikament iġġenerat minn trasmettitur tal-proċess, li jikkonverti varjabbli bħat-temperatura jew il-pressjoni f'kurrent dirett fil-medda ta '0mA sa 20mA jew 4mA sa 20mA. Il-kurrent imbagħad jgħaddi minn shunt resistor, u joħloq waqgħa tal-vultaġġ proporzjonali li hija faċilment diġitalizzata. Peress li l-vultaġġ konformi disponibbli biex isuq il-linja-inkluża r-reżistenza tal-wajer-rari jaqbeż 15V sa 18V, il-valur tar-reżistenza huwa limitat għal ftit mijiet ta' ohms (Figura 4).
Figura 4. Li tgħaqqad l-amplifikatur muri fil-Figura 3 mas-sinjal tal-linja tal-kurrent derivat mir-reżistenza shunt ta '220Ω tipproduċi output wieħed konvenjenti-ended.Dan iċ-ċirkwit fih l-istess amplifikatur differenzjali bħaċ-ċirkwit ta 'kondizzjonament ± 10V, flimkien ma' resistor shunt ta '220Ω. Dan ir-reżistenza juri tnaqqis fil-vultaġġ ta '4.20V f'4mA u 5.25V f'5mA. Il-gwadann tal-amplifikatur differenzjali huwa aġġustat fid-dħul tal-ADC għal massimu ta '4.62V. Għalhekk, DAS ipprogrammat għal input 0.5V jista 'jiddiġitalizza dan is-sinjal b'riżoluzzjoni massima ta' 11.8 bits.
Minħabba li l-MAX198/MAX199 u MAX128 għandhom l-iżgħar firxa ta 'input f'din is-serje, joperaw b'reżistenza shunt żgħira mingħajr ma jeħtieġu aġġustament tal-gwadann. Dan jagħmilhom aktar adattati għal kejl ta' 10mA f'sistemi li ma jeħtiġux kejl ieħor ta'-livell għoli (sa ±20V). Biex tadatta ċ-ċirkwit muri fil-Figura 4 għall-użu mal-MAX199, ikkonfigura l-MAX199 għal firxa ta 'input ta' 0 sa 2V u ibdel ir-reżistenza ta '536kΩ għal 470kΩ. Uża 86Ω shunt resistor.
Adattament tas-Sensor
Termokoppji, strain gauges, u sensuri komuni oħra jipprovdu sinjali mhux lineari ta' livell baxx-li huma sensittivi għall-EMI. Għalhekk, qabel ma tibgħat din l-informazzjoni lis-sistema ta 'kontroll, trasmettitur 4-20mA l-ewwel linearizes u jikkundizzjona s-sinjal. Għal applikazzjonijiet ta 'kejl tat-temperatura inqas kritiċi, ditekters tat-temperatura tar-reżistenza (RTDs) jistgħu jkejlu temperaturi sa 850 grad fuq distanzi twal mingħajr ma jeħtieġu kondizzjonament ta' sinjal għali.
L-RTD l-aktar popolari huwa s-senser tat-temperatura tal-platinu standardizzat magħruf bħala l-PT100, li fih reżistenza ta '0Ω f'100 grad u koeffiċjent tat-temperatura lineari ta' 0.38Ω/ grad. Tesibixxi wkoll koeffiċjent tat-temperatura mhux lineari iżgħar, li jagħmel il-karatteristika Ω/grad tiegħu kważi lineari fuq medda dejqa. B'differenza termokoppji, fejn l-output tal-vultaġġ jirrappreżenta d-differenza fit-temperatura bejn żewġ punti, ir-reżistenza tal-RTD tirrappreżenta direttament it-temperatura assoluta tas-sensor.
Il-kejl jinkiseb billi ssuq kurrent ta '1mA sa 2mA permezz tas-sensor u titkejjel il-waqgħa tal-vultaġġ fit-terminali tagħha. Kurrenti ogħla jintroduċu żbalji fil-kejl minħabba s-sħana awto-ikkawżata minn dissipazzjoni akbar tal-enerġija fis-sensor. Referenza interna ta '4.096V tissimplifika l-ġenerazzjoni tal-kurrent ta' eċċitazzjoni tas-sensorju (Figura 5).
Figura 5. Dan iċ-ċirkwit jipprovdi kurrent lis-sensor RTD u jiddiġitalizza l-output li jirriżulta.
Biex tevita li r-reżistenza tal-wajer taffettwa l-eżattezza tal-kejl, erba 'wajers indipendenti jgħaqqdu l-RTD mal-amplifikatur differenzjali. Peress li l-wajers tas-sensing jikkonnettjaw mal-input ta' impedenza-għoli tal-amplifikatur, il-kurrent tagħhom huwa baxx ħafna, li jirriżulta f'waqgħa tal-vultaġġ negliġibbli. Il-vultaġġ ta 'referenza ta' 4096mV u r-reżistenza tar-rispons ta '3.3kΩ jistabbilixxu l-kurrent ta' eċċitazzjoni għal madwar 4096mV/3.3kΩ=1.24mA. Konsegwentement, is-sewqan kemm tal-ADC kif ukoll tas-sors tal-kurrent bl-istess vultaġġ ta 'referenza jippermetti kejl tal-proporzjon fejn id-drift tal-vultaġġ ta' referenza ma jaffettwax ir-riżultat tal-konverżjoni.
Ikkonfigura l-MAX197 għal firxa ta’ input ta’ 0V sa 5V u ssettja l-gwadann tal-amplifikatur differenzjali għal 10 biex tkejjel valuri ta’ reżistenza sa 400Ω, li jirrappreżentaw madwar 800 grad. Il-mikroproċessur jista 'linearize s-sinjal tas-sensor billi tuża tabella ta' tfittxija. Biex tikkalibra s-sistema, ibdel l-RTD b'żewġ resistors ta 'preċiżjoni (100Ω li jirrappreżentaw żero, 300Ω jew ogħla li jirrappreżentaw skala sħiħa) u aħżen ir-riżultati tal-konverżjoni.
Pjuttost milli jiddedika ċirkwiti speċifiċi għal firxiet ta 'input partikolari, iċ-ċirkwit muri fil-Figura 6 jadatta l-input ADC biex jakkomoda kwalunkwe firxa ta' sinjal deskritta qabel. L-għażla tal-pin tad-dħul u l-firxa tal-input ADC (Tabella 1) tippermetti l-għażla tal-konfigurazzjoni xierqa.
Figura 6. Dan iċ-ċirkwit ta 'input universali jadatta l-ADC għall-firxa tas-sinjal fuq kull kanal ta' input.