Tööstuslikud juhtimissüsteemid tuginevad jätkuvalt standardsetele analoogsignaalidele, et edastada andmeid protsessi- ja juhtimisseadmete vahel. Stabiilsed 4 kuni 20 mA vooluahela signaalid võivad kergesti läbida tuhandeid jalgu, samas kui ±5 ja ±10 V signaalid on samuti tavalised tööstussüsteemides.
See rakenduse märkus tutvustab Maximi integreeritud andmehõivesüsteemi (DAS) lahendusi. Maximi DAS-lahendused säästavad plaadi ruumi, energiatarbimist ja projekteerimisaega, teisendades samal ajal standardseid tööstuslikke analoogsignaale minimaalsete väliskomponentidega.
Sissejuhatus
Vaatamata digitaalsete väljasiinide mitmele versioonile toetuvad tööstuslikud juhtimissüsteemid andmete edastamiseks protsessi- ja juhtimisseadmete vahel jätkuvalt standardsetele analoogsignaalidele. Näiteks keemiatehaste protsessisaatjad teisendavad madala-temperatuuri- ja rõhusignaalid stabiilseteks 4–20 mA vooluahela signaalideks, mis võivad kergesti liikuda tuhandeid jalgu.
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, kui seda juhib 100 mA vooluallikas).
Juhtimisfunktsioone protsessikeskkonnas rakendavad PLC-d (programmeeritavad loogikakontrollerid), PCS-id (protsessijuhtimissüsteemid) või (hiljuti) IPC-d (tööstuslikud personaalarvutid). Kuna need seadmed on digitaalsed süsteemid, mis käitavad protsessispetsiifilist tarkvara{1}}, tuleb kõik analoogsignaalid digitaalseks teisendada, enne kui arvuti saab neid lugeda.
A/D muundamine juhtimissüsteemides toimub plaatide või kastide abil, mida nimetatakse "analoogvälisseadmeteks". Need ühenduvad CPU-ga süsteemi tagaplaani siini või väljasiini kaudu, kui need on kaugpaigaldatud (nt masinatele). Lisaks digitaalsele skeemile (CPU-side jaoks) sisaldavad need välisseadmed mitmesuguseid täpseid analoog- ja segasignaali komponente. Vajadus rohkemate kanalite või väiksemate pakettide järele (masinale paigaldamiseks) toob kaasa ruumi- ja võimsuspiirangud, mis on analoogvälisseadmete jaoks esmane disainiprobleem. Järgmine skeem illustreerib signaali konditsioneerimise tehnikaid ja kirjeldab meetodit kuni kaheksa kanali digiteerimiseks ühe kiibi abil.
Andmehõivesüsteem
Täiustatud andmehõivesüsteem (joonis 1) sisaldab multiplekserit (mux) sisendkanalite vahel vahetamiseks, signaali konditsioneerimisahelat, mis võimaldab erinevate sisendvahemike jaoks võimenduse ja nihke reguleerimist, ning võrdluspingega (VREF) analoog---digitaalmuundurit (ADC).
Joonis 1. See diagramm illustreerib andmehõivesüsteemi põhikomponente.
Integreeritud DAS-lahendused
Integreerides joonisel 1 näidatud põhimoodulid, on Maxim välja töötanud rea ühe-kiibi andmehõivesüsteeme, mis säästavad plaadi ruumi, energiatarbimist ja projekteerimisaega. Need kiibid vajavad minimaalselt väliskomponente (mõnel juhul mitte ühtegi) ja suudavad teisendada enamikku praegu kasutatavatest standardsignaalidest. Iga seade sisaldab 12-bitist ADC-d, multiplekserit ja võimenduse/nihke korrigeerimist, millel on jada- või paralleelne digitaalliides, mis võimaldab hõlpsasti ühendada enamiku mikroprotsessoritega.
Järgmine plokkskeem (joonis 2) illustreerib selle seeria tüüpilist konfiguratsiooni. Peamised erinevused seisnevad mikroprotsessoriga ühendatud digitaalsektsioonis. Iga kiip pakub 16 või 5 üheotsalist analoogsisendi kanalit, mis on ühendatud sisemise ADC-ga tõrkekaitsega multiplekserite kaudu. Iga kanal talub sisendpingeid kuni<>.<>V ja rike ühelgi kanalil ei mõjuta konversioone ühelgi teisel kanalil.
Joonis 2. Joonisel 1 näidatud funktsioonid on sellesse kiibi integreeritud.
Iga kanali saab iseseisvalt programmeerida standardse sisendvahemiku jaoks (0 kuni 5 V, 0 kuni 10 V, ± 5 V või ± 10 V), samal ajal kui see toidetakse ühest 5 V toiteallikast. Teistel seadmetel on sarnased võimendusstruktuurid, kuid need aktsepteerivad erinevaid sisendvahemikke: unipolaarne või bipolaarne 2 V või 4 V või unipolaarne või bipolaarne VREF või -VREF. 100-kordne võimenduse muutmise võimalus 10% sisendinihkega (-10 V kuni +2 V) laiendab dünaamilist vahemikku 14 biti võrra, mille tulemuseks on<>-bitine dünaamiline vahemik.
Sisemine ADC on 12-bitine järjestikune lähendustüüp, mis põhineb mahtuvuslikul DAC-il, kus MSB mahtuvus toimib ka diskreetimis-/hoidmisahelas hoidekondensaatorina. Iga seade võib töötada kas sisemise ostsillaatori või välise kella abil.
Seadmed MAX196 kuni MAX199 kasutavad hankimise alustamiseks ja peatamiseks /WR impulsse, pakkudes "välises võterežiimis" suhteliselt pikki kogumisaegu ilma konversioonikiirust aeglustamata. Seadme ava lühike viivitus ja madal ava värin (<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.
Digitaalne liides
Kiireid{0}}mõõtmisi vajavaid rakendusi teenindavad kõige paremini paralleelsed andmeliidesed (MAX196 kuni MAX199). Need seadmed saavutavad 2Ksps läbilaskevõime 100 MHz taktsagedusel, mis on piisav enamiku kiirete{6}}juhtahelate jaoks. Madalamate Nendel seadmetel on kiire konversiooniaeg (10 μs), kuid jadaliides piirab nende läbilaskevõimet kuni 8 kbit/s.
Näiteks MAX197 aktsepteerib 0 V kuni 10 V, 0 V kuni 5 V, ± 5 V ja ± 10 V sisendeid. Neid sisendeid juhtiv allikatakistus on kasutajate peamine probleem. Diskreetimise ajal võtab ADC vooluimpulsi, et laadida oma T/H kondensaatorit (mahtuvusliku DAC-i MSB kondensaator). Seetõttu on piisava pöördekiirusega kiire{10}}seaduv operatsioonvõimendi vajalik, et tagada piisav pinge stabiliseerumine kogumise ajal. Operatsioonivõimendid MXL1013/MXL1014 toimivad hästi kiire diskreetimissageduse saavutamisel. Aeglasemate operatiivvõimendite puhul tuleb salvestusaega pikendada.
Paljudes automatiseerimissüsteemides kasutatavad diferentsiaalsisendid on tavarežiimide{0}}häirete suhtes suhteliselt tundlikud. Enamasti piisab lihtsast diferentsiaalvõimendi vooluringist (joonis 3), mille sisendtakistus ületab 1MΩ. (Suurema sisendtakistuse saamiseks kasutage tavalist 3-operatsioonivõimendiga instrumentatsioonivõimendit.) Joonisel 3 näidatud väljund on
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Suure tavalise-režiimi tagasilükkamiseks määrake R1=R3 ja R2=R4. Näidatud kombinatsiooni võimendus on 0,876, mis laiendab ±10 V sisendivahemikku ligikaudu 114% võrra, et mõõta vahemikku ületavaid signaale. See reguleerimine vähendab ±10 V riba eraldusvõimet ligikaudu 11,8 bitini.
Joonis 3. Lihtne diferentsiaalvõimendi pakub kõrget sisendtakistust ja ühe-otsaga väljundit.
20 mA vooluahel
Vooluahelad edastavad mürarikkas keskkonnas väikeseid signaale pikkade vahemaade taha. Voolu genereerib tavaliselt protsessisaatja, mis muundab sellised muutujad nagu temperatuur või rõhk alalisvooluks vahemikus 0mA kuni 20mA või 4mA kuni 20mA. Seejärel voolab vool läbi šunditakisti, luues proportsionaalse pingelanguse, mida on lihtne digiteerida. Kuna kontuuri juhtimiseks saadaolev ühilduv pinge-koos juhtmetakistusega- ületab harva 15–18 V, on takisti väärtus piiratud mõnesaja oomiga (joonis 4).
Joonis 4. Joonisel 3 näidatud võimendi kombineerimine 220 Ω šunttakistist tuletatud vooluahela signaaliga annab mugava ühe -otsaga väljundi.Sellel vooluahelal on sama diferentsiaalvõimendi nagu ±10 V konditsioneerimisahelal ja 220 Ω šunttakisti. Selle takisti pingelangus on 4,20 V 4 mA ja 5,25 V 5 mA juures. Diferentsiaalvõimendi võimendus on reguleeritud ADC sisendis maksimaalselt 4,62 V-ni. Seetõttu suudab 0,5 V sisendile programmeeritud DAS selle signaali digiteerida maksimaalse eraldusvõimega 11,8 bitti.
Kuna mudelitel MAX198/MAX199 ja MAX128 on selle seeria väikseim sisendvahemik, töötavad need väikese šunttakistiga ilma võimenduse reguleerimist vajamata. See muudab need sobivamaks 10 mA mõõtmiseks süsteemides, mis ei vaja muid kõrgetasemelisi mõõtmisi (kuni ±20 V). Joonisel 4 näidatud vooluahela kohandamiseks MAX199-ga kasutamiseks konfigureerige MAX199 sisendivahemikuks 0 kuni 2 V ja muutke 536 kΩ takisti 470 kΩ-ks. Kasutage 86Ω šundi takistit.
Anduri kohandamine
Termopaarid, pingeandurid ja muud levinumad andurid annavad madala{0}}tasemega mittelineaarseid signaale, mis on EMI suhtes tundlikud. Seetõttu lineariseerib ja konditsioneerib 4-20 mA saatja enne selle teabe juhtimissüsteemi enne selle teabe saatmist signaali. Vähem kriitiliste temperatuuri mõõtmise rakenduste jaoks suudavad takistustemperatuuri detektorid (RTD) mõõta temperatuure kuni 850 kraadi pikkade vahemaade tagant, ilma et oleks vaja kallist signaali konditsioneerimist.
Kõige populaarsem RTD on standardiseeritud plaatina temperatuuriandur, tuntud kui PT100, mille takistus on 0 Ω 100 kraadi juures ja lineaarne temperatuuritegur 0,38 Ω/kraadi. Sellel on ka väiksem mittelineaarne temperatuuritegur, mis muudab selle Ω/kraadi karakteristiku kitsas vahemikus peaaegu lineaarseks. Erinevalt termopaaridest, kus väljundpinge tähistab kahe punkti temperatuuri erinevust, tähistab RTD takistus otseselt anduri absoluutset temperatuuri.
Mõõtmine saavutatakse 1 mA kuni 2 mA voolu läbi anduri juhtimisega ja selle klemmide pingelanguse mõõtmisega. Suuremad voolud põhjustavad mõõtmisvigu, mis on tingitud iseenesesoojenemisest, mis on põhjustatud anduri suurenenud võimsuse hajumisest. Sisemine 4,096 V viide lihtsustab anduri ergutusvoolu genereerimist (joonis 5).
Joonis 5. See ahel annab voolu RTD andurile ja digiteerib saadud väljundi.
Selleks, et juhtmetakistus ei mõjutaks mõõtetäpsust, ühendavad RTD diferentsiaalvõimendiga neli sõltumatut juhet. Kuna andurjuhtmed ühendatakse võimendi suure-takistusega sisendiga, on nende vool väga madal, mille tulemuseks on tühine pingelang. 4096 mV võrdluspinge ja 3,3 kΩ tagasisidetakisti seadsid ergutusvooluks ligikaudu 4096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Järelikult võimaldab nii ADC kui ka vooluallika juhtimine sama võrdluspingega suhte mõõtmist, kus võrdluspinge triiv ei mõjuta teisendustulemust.
Konfigureerige MAX197 sisendvahemikuks 0 V kuni 5 V ja määrake diferentsiaalvõimendi võimenduseks 10, et mõõta takistuse väärtusi kuni 400 Ω, mis tähistab ligikaudu 800 kraadi. Mikroprotsessor suudab anduri signaali lineariseerida otsingutabeli abil. Süsteemi kalibreerimiseks asendage RTD kahe täppistakistiga (100 Ω tähistab nulli, 300 Ω või rohkem, mis tähistab täisskaala) ja salvestage teisendustulemused.
Selle asemel, et eraldada konkreetsed ahelad konkreetsetele sisendivahemikele, kohandab joonisel 6 näidatud vooluahel ADC-sisendit, et see sobiks mis tahes varem kirjeldatud signaalivahemikuga. Sisendviigu ja ADC sisendvahemiku valimine (tabel 1) võimaldab valida sobiva konfiguratsiooni.
Joonis 6. See universaalne sisendlülitus kohandab ADC iga sisendkanali signaalivahemikuga.