Industriële besturingssystemen blijven afhankelijk van standaard analoge signalen om gegevens tussen proces- en besturingsapparatuur te verzenden. Stabiele stroomlussignalen van 4 tot 20 mA kunnen gemakkelijk duizenden meters overbruggen, terwijl ±5 en ±10V signalen ook gebruikelijk zijn in industriële systemen.
Deze toepassingsnotitie toont Maxim's geïntegreerde data-acquisitiesysteem (DAS)-oplossingen. De DAS-oplossingen van Maxim besparen bordruimte, energieverbruik en ontwerptijd, terwijl ze standaard industriële analoge signalen converteren met minimale externe componenten.
Invoering
Ondanks meerdere versies van digitale veldbussen blijven industriële besturingssystemen vertrouwen op standaard analoge signalen om gegevens tussen proces- en besturingsapparatuur te verzenden. Procestransmitters in chemische fabrieken zetten bijvoorbeeld lage- temperatuur- en druksignalen om in stabiele 4 tot 20 mA stroomlussignalen die gemakkelijk duizenden meters kunnen overbruggen.
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 indien aangedreven door een stroombron van 100 mA).
Besturingsfuncties binnen de procesomgeving worden geïmplementeerd door PLC's (Programmable Logic Controllers), PCS's (Process Control Systems) of (meer recentelijk) IPC's (Industrial Personal Computers). Omdat deze apparaten digitale systemen zijn waarop processpecifieke software- wordt uitgevoerd, moeten alle analoge signalen naar digitaal worden omgezet voordat de computer ze kan lezen.
A/D-conversie binnen besturingssystemen wordt uitgevoerd door kaarten of dozen die 'analoge randapparatuur' worden genoemd. Deze worden aangesloten op de CPU via de backplane-bus of veldbus van het systeem wanneer ze op afstand worden geïnstalleerd (bijvoorbeeld op machines). Naast digitale circuits (voor CPU-communicatie) bevatten deze randapparatuur verschillende nauwkeurige analoge en gemengde- signaalcomponenten. De behoefte aan meer kanalen per bord of kleinere pakketten (voor machinemontage) leidt tot ruimte- en stroombeperkingen, wat de belangrijkste ontwerpuitdaging voor analoge randapparatuur vormt. Het volgende circuit illustreert signaalconditioneringstechnieken en beschrijft een methode voor het digitaliseren van maximaal acht kanalen met behulp van een enkele chip.
Gegevensverzamelingssysteem
Het geavanceerde data-acquisitiesysteem (Afbeelding 1) bestaat uit een multiplexer (mux) voor het schakelen tussen ingangskanalen, een signaalconditioneringscircuit dat zorgt voor versterking en offsetaanpassing voor verschillende ingangsbereiken, en een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) met een referentiespanning (VREF).
Figuur 1. Dit diagram illustreert de basiscomponenten van het data-acquisitiesysteem.
Geïntegreerde DAS-oplossingen
Door de basismodules uit Figuur 1 te integreren heeft Maxim een reeks data-acquisitiesystemen met één chip ontwikkeld die ruimte op het bord, stroomverbruik en ontwerptijd besparen. Deze chips vereisen minimale externe componenten (in sommige gevallen geen) en kunnen de meeste standaardsignalen die momenteel in gebruik zijn, omzetten. Elk apparaat is voorzien van een 12-bits ADC, multiplexer en versterkings-/offsetcorrectie, met een seriële of parallelle digitale interface voor eenvoudige aansluiting op de meeste microprocessors.
Het volgende blokdiagram (Figuur 2) illustreert een typische configuratie voor deze serie. De belangrijkste verschillen liggen in het digitale gedeelte dat op de microprocessor is aangesloten. Elke chip biedt 16 of 5 analoge ingangskanalen met enkel- einde, verbonden met de interne ADC via fout-multiplexers. Elk kanaal is bestand tegen ingangsspanningen tot<>.<>V, en een storing op een kanaal heeft geen invloed op de conversies op een ander kanaal.
Figuur 2. De functies uit Figuur 1 zijn in deze chip geïntegreerd.
Elk kanaal kan onafhankelijk worden geprogrammeerd voor een standaard ingangsbereik (0 tot 5V, 0 tot 10V, ±5V of ±10V) terwijl het wordt gevoed door een enkele 5V-voeding. Andere apparaten hebben vergelijkbare versterkingsstructuren, maar accepteren verschillende invoerbereiken: unipolaire of bipolaire 2V of 4V, of unipolaire of bipolaire VREF of -VREF. De mogelijkheid tot 100x versterkingsvariatie met 10% ingangsoffset (van -10V tot +2V) breidt het dynamische bereik uit met 14 bits, wat resulteert in systemen met<>-bit dynamisch bereik.
De interne ADC is een 12-bits opeenvolgend benaderingstype, gebaseerd op een capacitieve DAC, waarbij de MSB-capaciteit ook functioneert als de houdcondensator in het bemonsterings-/houdcircuit. Elk apparaat kan werken met behulp van de interne oscillator of een externe klok.
De MAX196 tot MAX199-apparaten gebruiken /WR-pulsen om de acquisitie te starten en te stoppen, waardoor relatief lange acquisitietijden worden geboden in de "externe acquisitiemodus" zonder de conversiesnelheid te vertragen. De korte diafragmavertraging van het apparaat en de lage diafragma-jitter (<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.
Digitale interface
Toepassingen die hoge-snelheidsmetingen vereisen, worden het best bediend door parallelle gegevensinterfaces (MAX196 tot MAX199). Deze apparaten bereiken een doorvoersnelheid van 2 Ksps bij kloksnelheden van 100 MHz, voldoende voor de meeste regellussen met hoge- snelheid. Voor toepassingen met lagere-snelheden besparen de beschikbare I²C--compatibele interfaceversies ruimte op de kaart en vereenvoudigen ze de communicatie tussen DAS en microcontrollers. Deze apparaten hebben snelle conversietijden (10 μs), maar de seriële interface beperkt hun doorvoer tot 8 kbps.
De MAX197 accepteert bijvoorbeeld ingangen van 0V tot 10V, 0V tot 5V, ±5V en ±10V. De bronimpedantie die deze ingangen aandrijft, is een primaire zorg voor gebruikers. Tijdens het bemonsteren trekt de ADC een stroompuls om zijn T/H-condensator (de MSB-condensator voor capacitieve DAC's) op te laden. Daarom is een snelle-operationele versterker met voldoende zwenksnelheid vereist om te zorgen voor een adequate spanningsregeling tijdens de acquisitie. De operationele versterkers MXL1013/MXL1014 presteren goed bij het bereiken van hoge bemonsteringssnelheden. Voor langzamere operationele versterkers moet de acquisitietijd worden verlengd.
Differentiële ingangen die in veel automatiseringssystemen worden gebruikt, zijn relatief ongevoelig voor common{0}}mode-interferentie. In de meeste gevallen volstaat een eenvoudig differentieelversterkercircuit (Figuur 3) met een ingangsimpedantie van meer dan 1 MΩ. (Gebruik voor een hogere ingangsimpedantie een standaard instrumentatieversterker met 3-op-amps.) De in afbeelding 3 weergegeven uitvoer is
Vuit=R2(V+ - V-) / R1.
Voor een hoge afwijzing van de common{0}}modus stelt u R1=R3 en R2=R4 in. De versterking van de getoonde combinatie is 0,876, waardoor het ingangsbereik van ±10V met ongeveer 114% wordt uitgebreid om signalen buiten het bereik te meten. Deze aanpassing reduceert de resolutie van de ±10V-band tot ongeveer 11,8 bits.
Figuur 3. Een eenvoudige differentiële versterker biedt een hoge ingangsimpedantie en een single--uitgang.
20mA stroomlus
Stroomlussen zenden kleine signalen over lange afstanden in luidruchtige omgevingen uit. De stroom wordt doorgaans gegenereerd door een procestransmitter, die variabelen zoals temperatuur of druk omzet in een gelijkstroom binnen het bereik van 0mA tot 20mA of 4mA tot 20mA. De stroom vloeit vervolgens door een shuntweerstand, waardoor een proportionele spanningsval ontstaat die gemakkelijk kan worden gedigitaliseerd. Omdat de conforme spanning die beschikbaar is om de lus aan te drijven-inclusief draadweerstand-zelden hoger is dan 15 V tot 18 V, is de weerstandswaarde beperkt tot een paar honderd ohm (Afbeelding 4).
Figuur 4. Door de versterker uit Figuur 3 te combineren met het stroomlussignaal afgeleid van de shuntweerstand van 220 Ω ontstaat een handige output met één- einde.Dit circuit beschikt over dezelfde differentiële versterker als het ±10V conditioneringscircuit, samen met een shuntweerstand van 220Ω. Deze weerstand vertoont een spanningsval van 4,20V bij 4mA en 5,25V bij 5mA. De versterking van de verschilversterker wordt aan de ADC-ingang aangepast tot maximaal 4,62 V. Daarom kan een DAS die is geprogrammeerd voor een 0,5V-ingang dit signaal digitaliseren met een maximale resolutie van 11,8 bits.
Omdat de MAX198/MAX199 en MAX128 het kleinste ingangsbereik in deze serie hebben, werken ze met een kleine shuntweerstand zonder dat de versterking hoeft te worden aangepast. Dit maakt ze geschikter voor 10 mA-metingen in systemen die geen andere metingen op hoog- niveau vereisen (tot ±20 V). Om het circuit uit Figuur 4 aan te passen voor gebruik met de MAX199, configureert u de MAX199 voor een ingangsbereik van 0 tot 2 V en wijzigt u de weerstand van 536 kΩ in 470 kΩ. Gebruik een shuntweerstand van 86Ω.
Sensoraanpassing
Thermokoppels, rekstrookjes en andere veel voorkomende sensoren leveren niet-lineaire signalen op laag-niveau die gevoelig zijn voor EMI. Voordat deze informatie naar het besturingssysteem wordt verzonden, lineariseert en conditioneert een zender van 4-20 mA daarom eerst het signaal. Voor minder kritische temperatuurmeettoepassingen kunnen weerstandstemperatuurdetectoren (RTD's) temperaturen tot 850 graden over lange afstanden meten zonder dat dure signaalconditionering nodig is.
De meest populaire RTD is de gestandaardiseerde platina-temperatuursensor, bekend als de PT100, met een weerstand van 0Ω bij 100 graden en een lineaire temperatuurcoëfficiënt van 0,38Ω/graad. Het vertoont ook een kleinere niet-lineaire temperatuurcoëfficiënt, waardoor de Ω/graad-karakteristiek over een smal bereik vrijwel lineair is. In tegenstelling tot thermokoppels, waarbij de uitgangsspanning het temperatuurverschil tussen twee punten vertegenwoordigt, vertegenwoordigt de weerstand van de RTD rechtstreeks de absolute temperatuur van de sensor.
De meting wordt uitgevoerd door een stroom van 1 mA tot 2 mA door de sensor te sturen en de spanningsval over de aansluitingen te meten. Hogere stromen veroorzaken meetfouten als gevolg van zelfverhitting, veroorzaakt door een grotere vermogensdissipatie binnen de sensor. Een interne 4,096V-referentie vereenvoudigt het genereren van de sensorexcitatiestroom (Figuur 5).
Figuur 5. Dit circuit levert stroom aan de RTD-sensor en digitaliseert de resulterende uitvoer.
Om te voorkomen dat draadweerstand de meetnauwkeurigheid beïnvloedt, verbinden vier onafhankelijke draden de RTD met de differentiële versterker. Omdat de detectiedraden zijn aangesloten op de ingang met hoge- impedantie van de versterker, is hun stroom erg laag, wat resulteert in een verwaarloosbare spanningsval. De referentiespanning van 4096 mV en de feedbackweerstand van 3,3 kΩ stellen de bekrachtigingsstroom in op ongeveer 4096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Als gevolg daarvan maakt het aandrijven van zowel de ADC als de stroombron met dezelfde referentiespanning een verhoudingsmeting mogelijk waarbij de drift van de referentiespanning het conversieresultaat niet beïnvloedt.
Configureer de MAX197 voor een ingangsbereik van 0 V tot 5 V en stel de versterking van de differentiële versterker in op 10 om weerstandswaarden tot 400 Ω te meten, wat ongeveer 800 graden vertegenwoordigt. De microprocessor kan het sensorsignaal lineariseren met behulp van een opzoektabel. Om het systeem te kalibreren, vervangt u de RTD door twee precisieweerstanden (100Ω vertegenwoordigt nul, 300Ω of hoger vertegenwoordigt de volledige schaal) en slaat u de conversieresultaten op.
In plaats van specifieke circuits te wijden aan bepaalde ingangsbereiken, past het circuit getoond in figuur 6 de ADC-ingang aan om tegemoet te komen aan elk eerder beschreven signaalbereik. Door de ingangspin en het ADC-ingangsbereik te selecteren (Tabel 1) kunt u de juiste configuratie kiezen.
Figuur 6. Dit universele ingangscircuit past de ADC aan het signaalbereik op elk ingangskanaal aan.