Индустријски контролни системи и даље се ослањају на стандардне аналогне сигнале за пренос података између процеса и контролне опреме. Стабилни сигнали струјне петље од 4 до 20 мА могу лако да пређу хиљаде стопа, док су сигнали од ±5 и ±10В такође уобичајени у индустријским системима.
Ова напомена о апликацији приказује Макимова решења интегрисаног система за прикупљање података (ДАС). Макимова ДАС решења штеде простор на плочи, потрошњу енергије и време дизајна док конвертују стандардне индустријске аналогне сигнале са минималним спољним компонентама.
Увод
Упркос више верзија дигиталних сабирница поља, индустријски контролни системи и даље се ослањају на стандардне аналогне сигнале за пренос података између процесне и контролне опреме. На пример, процесни трансмитери у хемијским постројењима претварају сигнале ниске{1}}нивоа температуре и притиска у стабилне сигнале струјне петље од 4 до 20 мА који могу лако да путују хиљадама стопа.
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 (>1мВ када га покреће извор струје од 100мА).
Контролне функције унутар процесног окружења имплементирају ПЛЦ (програмабилни логички контролери), ПЦС (системи контроле процеса) или (у новије време) ИПЦ (индустријски лични рачунари). Пошто су ови уређаји дигитални системи који покрећу софтвер{1}}специфичан за процесе, сви аналогни сигнали морају да се конвертују у дигиталне пре него што рачунар може да их прочита.
А/Д конверзија унутар контролних система се врши помоћу плоча или кутија које се називају „аналогне периферије“. Они се повезују на ЦПУ преко системске магистрале или сабирнице поља када су инсталирани на даљину (нпр. на машинама). Осим дигиталних кола (за ЦПУ комуникацију), ове периферије укључују различите прецизне аналогне и мешовите компоненте{4}}сигнала. Потреба за више канала по плочи или мањим пакетима (за машинску монтажу) доводи до ограничења простора и снаге, представљајући примарни изазов дизајна за аналогне периферне уређаје. Следеће коло илуструје технике кондиционирања сигнала и описује методу за дигитализацију до осам канала коришћењем једног чипа.
Систем за прикупљање података
Напредни систем за прикупљање података (Слика 1) садржи мултиплексер (мук) за пребацивање између улазних канала, коло за кондиционирање сигнала које обезбеђује подешавање појачања и помака за различите улазне опсеге, и аналогно-у-дигитални претварач (АДЦ) са референтним напоном (ВРЕФ).
Слика 1. Овај дијаграм илуструје основне компоненте система за прикупљање података.
Интегрисана ДАС решења
Интеграцијом основних модула приказаних на слици 1, Маким је развио серију система за прикупљање података са једним-чипом који штеде простор на плочи, потрошњу енергије и време дизајна. Ови чипови захтевају минималне спољне компоненте (у неким случајевима их нема) и могу да конвертују већину стандардних сигнала који се тренутно користе. Сваки уређај укључује 12-битни АДЦ, мултиплексер и корекцију појачања/оффсета, са серијским или паралелним дигиталним интерфејсом за лако повезивање са већином микропроцесора.
Следећи блок дијаграм (слика 2) илуструје типичну конфигурацију за ову серију. Примарне разлике леже у дигиталном делу повезаном са микропроцесором. Сваки чип обезбеђује 16 или 5 једноструких-аналогних улазних канала повезаних на интерни АДЦ преко{6}}заштићених мултиплексора. Сваки канал може да издржи улазне напоне до<>.<>В, а грешка на било ком каналу не утиче на конверзије на било ком другом каналу.
Слика 2. Функције приказане на слици 1 су интегрисане у овај чип.
Сваки канал се може независно програмирати за стандардни улазни опсег (0 до 5В, 0 до 10В, ±5В или ±10В) док се напаја једним напајањем од 5В. Други уређаји имају сличне структуре појачања, али прихватају различите улазне опсеге: униполарни или биполарни 2В или 4В, или униполарни или биполарни ВРЕФ или -ВРЕФ. Могућност варијације појачања од 100к са помаком од 10% (од -10В до +2В) проширује динамички опсег за 14 бита, што резултира системима са<>-бит динамичког опсега.
Интерни АДЦ је 12-битни узастопни тип апроксимације заснован на капацитивном ДАЦ-у, где МСБ капацитивност такође функционише као кондензатор за задржавање у колу узорковања/држања. Сваки уређај може да ради помоћу унутрашњег осцилатора или екстерног сата.
МАКС196 до МАКС199 уређаји користе /ВР импулсе за покретање и заустављање аквизиције, обезбеђујући релативно дуга времена аквизиције у „режиму екстерне аквизиције“ без успоравања брзине конверзије. Кратко кашњење отвора бленде уређаја и ниско подрхтавање бленде (<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.
Дигитал Интерфаце
Апликације које захтевају велике{0}}брзине мерења најбоље се опслужују помоћу паралелних интерфејса података (МАКС196 до МАКС199). Ови уређаји постижу проток од 2Кспс при такту од 100МХз, што је довољно за већину контролних петљи велике брзине. За мање{8}}прилике, доступне И²Ц-компатибилне верзије интерфејса штеде простор на плочи и поједностављују комуникацију између ДАС-а и микроконтролера. Ови уређаји имају брза времена конверзије (10 μс), али серијски интерфејс ограничава њихову пропусност на 8 кбпс.
На пример, МАКС197 прихвата улазе од 0В до 10В, 0В до 5В, ±5В и ±10В. Импеданса извора која покреће ове улазе је примарна брига за кориснике. Током узорковања, АДЦ извлачи струјни импулс да напуни свој Т/Х кондензатор (МСБ кондензатор за капацитивне ДАЦ-ове). Због тога је неопходан брзи{10}}операциони појачавач са довољном брзином напона да би се обезбедило адекватно сређивање напона током аквизиције. МКСЛ1013/МКСЛ1014 операциона појачала имају добре резултате у постизању брзих стопа узорковања. За спорије операционе појачиваче, време аквизиције се мора продужити.
Диференцијални улази који се користе у многим системима аутоматизације су релативно неосетљиви на сметње уобичајеног{0}}мода. У већини случајева, довољно је једноставно коло диференцијалног појачала (слика 3) са улазном импедансом већом од 1МΩ. (За већу улазну импедансу, користите стандардно инструментално појачало са 3-оп-амп.) Излаз приказан на слици 3 је
Воут=Р2(В+ - В-) / Р1.
За високо одбијање заједничког-режима, подесите Р1=Р3 и Р2=Р4. Појачање приказане комбинације је 0,876, што проширује улазни опсег ±10В за приближно 114% за мерење сигнала изван опсега. Ово подешавање смањује резолуцију опсега ±10В на приближно 11,8 бита.
Слика 3. Једноставно диференцијално појачало обезбеђује високу улазну импедансу и једно-излаз.
20мА струјна петља
Струјне петље преносе мале сигнале на велике удаљености у бучним окружењима. Струју обично генерише процесни предајник, који претвара варијабле као што су температура или притисак у једносмерну струју у опсегу од 0мА до 20мА или 4мА до 20мА. Струја затим тече кроз шант отпорник, стварајући пропорционални пад напона који се лако дигитализује. Пошто усаглашени напон доступан за покретање петље-укључујући отпор жице-ретко прелази 15В до 18В, вредност отпорника је ограничена на неколико стотина ома (слика 4).
Слика 4. Комбиновањем појачала приказаног на слици 3 са сигналом струјне петље изведеним из шант отпорника од 220 Ω добија се погодан једноструки излаз -.Ово коло има исто диференцијално појачало као и коло за кондиционирање од ±10В, заједно са шант отпорником од 220Ω. Овај отпорник показује пад напона од 4,20В на 4мА и 5,25В на 5мА. Појачање диференцијалног појачала је подешено на АДЦ улазу на максимално 4,62В. Стога, ДАС програмиран за улаз од 0,5 В може дигитализовати овај сигнал са максималном резолуцијом од 11,8 бита.
Пошто МАКС198/МАКС199 и МАКС128 имају најмањи улазни опсег у овој серији, они раде са малим шант отпорником без потребе за подешавањем појачања. Ово их чини погоднијим за мерења од 10мА у системима који не захтевају друга мерења високог{5}}нивоа (до ±20В). Да бисте прилагодили коло приказано на слици 4 за употребу са МАКС199, конфигуришите МАКС199 за опсег улаза од 0 до 2В и промените отпорник од 536 кΩ на 470 кΩ. Користите шант отпорник 86Ω.
Прилагодба сензора
Термопарови, мерачи напрезања и други уобичајени сензори пружају нелинеарне сигнале ниског{0}}нивоа који су осетљиви на ЕМИ. Стога, пре слања ове информације контролном систему, 4-20мА предајник прво линеаризује и условљава сигнал. За мање критичне апликације мерења температуре, отпорни температурни детектори (РТД) могу мерити температуре до 850 степени на великим удаљеностима без потребе за скупим кондиционирањем сигнала.
Најпопуларнији РТД је стандардизовани платинасти температурни сензор познат као ПТ100, који има отпор од 0Ω на 100 степени и линеарни температурни коефицијент од 0,38Ω/степен. Такође показује мањи нелинеарни температурни коефицијент, чинећи његову карактеристику Ω/степен скоро линеарном у уском опсегу. За разлику од термопарова, где излазни напон представља температурну разлику између две тачке, отпор РТД-а директно представља апсолутну температуру сензора.
Мерење се постиже провођењем струје од 1мА до 2мА кроз сензор и мерењем пада напона на његовим терминалима. Веће струје уносе грешке у мерењу због само-загревања изазваног повећаним расипањем снаге унутар сензора. Интерна референца од 4,096 В поједностављује генерисање побудне струје сензора (Слика 5).
Слика 5. Ово коло снабдева струјом РТД сензор и дигитализује резултујући излаз.
Да би се спречило да отпор жице утиче на тачност мерења, четири независне жице повезују РТД са диференцијалним појачалом. Пошто се сензорске жице повезују на улаз високе-импедансе појачала, њихова струја је веома ниска, што доводи до занемарљивог пада напона. Референтни напон од 4096 мВ и отпорник повратне спреге од 3,3 кΩ постављају струју побуде на приближно 4096 мВ/3,3 кΩ=1.24 мА. Сходно томе, покретање и АДЦ-а и извора струје са истим референтним напоном омогућава мерење односа где дрифт референтног напона не утиче на резултат конверзије.
Конфигуришите МАКС197 за улазни опсег од 0В до 5В и подесите појачање диференцијалног појачала на 10 за мерење вредности отпора до 400Ω, што представља приближно 800 степени. Микропроцесор може линеаризирати сигнал сензора користећи табелу претраживања. Да бисте калибрирали систем, замените РТД са два прецизна отпорника (100Ω представља нулу, 300Ω или више што представља пуну скалу) и сачувајте резултате конверзије.
Уместо да посвети одређена кола одређеним улазним опсезима, коло приказано на слици 6 прилагођава улаз АДЦ да би се прилагодио било ком опсегу сигнала описаном раније. Избор улазног пина и опсега АДЦ улаза (Табела 1) омогућава одабир одговарајуће конфигурације.
Слика 6. Ово универзално улазно коло прилагођава АДЦ опсегу сигнала на сваком улазном каналу.