Промышленные системы управления по-прежнему полагаются на стандартные аналоговые сигналы для передачи данных между технологическим оборудованием и оборудованием управления. Стабильные сигналы токовой петли от 4 до 20 мА могут легко преодолевать тысячи футов, а сигналы ±5 и ±10 В также являются обычным явлением в промышленных системах.
В этом руководстве по применению представлены решения интегрированной системы сбора данных (DAS) компании Maxim. Решения Maxim DAS экономят место на плате, энергопотребление и время разработки, одновременно преобразуя стандартные промышленные аналоговые сигналы с минимальным количеством внешних компонентов.
Введение
Несмотря на множество версий цифровых полевых шин, промышленные системы управления по-прежнему полагаются на стандартные аналоговые сигналы для передачи данных между технологическим оборудованием и оборудованием управления. Например, технологические датчики на химических заводах преобразуют сигналы температуры и давления низкого-уровня в стабильные сигналы токовой петли от 4 до 20 мА, которые могут легко перемещаться на тысячи футов.
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 мВ при питании от источника тока 100 мА).
Функции управления в технологической среде реализуются с помощью ПЛК (программируемых логических контроллеров), PCS (систем управления процессами) или (в последнее время) IPC (промышленных персональных компьютеров). Поскольку эти устройства представляют собой цифровые системы, на которых работает-специальное программное обеспечение, все аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровые, прежде чем компьютер сможет их прочитать.
Аналого-цифровое преобразование в системах управления выполняется с помощью плат или блоков, называемых «аналоговыми периферийными устройствами». Они подключаются к ЦП через объединительную шину системы или полевую шину при удаленной установке (например, на оборудовании). Помимо цифровых схем (для связи с ЦП), эти периферийные устройства включают в себя различные прецизионные аналоговые компоненты и компоненты смешанных-сигналов. Потребность в большем количестве каналов на плате или в корпусах меньшего размера (для монтажа на машине) приводит к ограничению пространства и мощности, что представляет собой основную проблему проектирования аналоговых периферийных устройств. Следующая схема иллюстрирует методы формирования сигнала и описывает метод оцифровки до восьми каналов с использованием одного чипа.
Система сбора данных
Усовершенствованная система сбора данных (рис. 1) включает в себя мультиплексор (мультиплексор) для переключения между входными каналами, схему формирования сигнала, обеспечивающую регулировку усиления и смещения для различных входных диапазонов, а также аналого--в-цифровой преобразователь (АЦП) с опорным напряжением (VREF).
Рисунок 1. На этой схеме показаны основные компоненты системы сбора данных.
Интегрированные решения DAS
Объединив базовые модули, показанные на рисунке 1, компания Maxim разработала серию однокристальных систем сбора данных, которые экономят место на плате, энергопотребление и время проектирования. Эти микросхемы требуют минимального количества внешних компонентов (в некоторых случаях их нет) и могут преобразовывать большинство стандартных сигналов, используемых в настоящее время. Каждое устройство включает в себя 12-битный АЦП, мультиплексор и коррекцию усиления/сдвига, а также последовательный или параллельный цифровой интерфейс для простого подключения к большинству микропроцессоров.
Следующая блок-схема (рис. 2) иллюстрирует типичную конфигурацию этой серии. Основные различия заключаются в цифровой части, подключенной к микропроцессору. Каждая микросхема имеет 16 или 5 несимметричных-каналов аналогового ввода, подключенных к внутреннему АЦП через-защищенные от сбоев мультиплексоры. Любой канал выдерживает входное напряжение до<>.<>V, и ошибка на каком-либо канале не влияет на преобразования на любом другом канале.
Рисунок 2. Функции, показанные на рисунке 1, интегрированы в этот чип.
Каждый канал может быть независимо запрограммирован на стандартный входной диапазон (от 0 до 5 В, от 0 до 10 В, ±5 В или ±10 В) при питании от одного источника питания 5 В. Другие устройства имеют аналогичную структуру усиления, но принимают разные входные диапазоны: униполярный или биполярный 2 В или 4 В, либо униполярный или биполярный VREF или -VREF. Возможность изменения коэффициента усиления в 100 раз с 10% входным смещением (от -10 В до +2 В) расширяет динамический диапазон на 14 бит, в результате чего создаются системы с<>-битовый динамический диапазон.
Внутренний АЦП представляет собой 12-разрядный тип последовательного приближения, основанный на емкостном ЦАП, где емкость старшего разряда также выполняет функцию запоминающего конденсатора в схеме выборки/хранения. Каждое устройство может работать как от внутреннего генератора, так и от внешнего тактового генератора.
Устройства MAX196–MAX199 используют импульсы /WR для запуска и остановки сбора данных, обеспечивая относительно длительное время сбора данных в «режиме внешнего сбора данных» без снижения скорости преобразования. Короткая задержка диафрагмы устройства и низкое дрожание диафрагмы (<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.
Цифровой интерфейс
Приложения, требующие высокоскоростных-измерений, лучше всего обслуживаются параллельными интерфейсами данных (от MAX196 до MAX199). Эти устройства достигают пропускной способности 2Ksps при тактовой частоте 100 МГц, что достаточно для большинства высокоскоростных-контуров управления. Для приложений с более низкой-скоростью доступны версии интерфейса, совместимые с I²C-, которые экономят место на плате и упрощают связь между DAS и микроконтроллерами. Эти устройства имеют быстрое время преобразования (10 мкс), но последовательный интерфейс ограничивает их пропускную способность до 8 Кбит/с.
Например, MAX197 принимает входные напряжения от 0 до 10 В, от 0 до 5 В, ±5 В и ±10 В. Импеданс источника, управляющий этими входами, является основной проблемой для пользователей. Во время выборки АЦП потребляет импульс тока для зарядки своего конденсатора T/H (конденсатор MSB для емкостных ЦАП). Поэтому для обеспечения адекватного установления напряжения во время сбора данных требуется быстродействующий-операционный усилитель с достаточной скоростью нарастания напряжения. Операционные усилители MXL1013/MXL1014 хорошо справляются с достижением высоких скоростей дискретизации. Для более медленных операционных усилителей время сбора данных должно быть увеличено.
Дифференциальные входы, используемые во многих системах автоматизации, относительно нечувствительны к синфазным помехам. В большинстве случаев достаточно простой схемы дифференциального усилителя (рис. 3) с входным сопротивлением более 1 МОм. (Для более высокого входного импеданса используйте стандартный инструментальный усилитель на 3-ОУ.) Выходной сигнал, показанный на рисунке 3,
Воут=R2(V+ - V-) / R1.
Для высокого подавления синфазного-мода установите R1=R3 и R2=R4. Коэффициент усиления показанной комбинации составляет 0,876, что расширяет диапазон входного сигнала ±10 В примерно на 114 % для измерения сигналов, выходящих за пределы этого диапазона. Эта настройка уменьшает разрешение диапазона ±10 В примерно до 11,8 бит.
Рис. 3. Простой дифференциальный усилитель обеспечивает высокое входное сопротивление и несимметричный выходной сигнал.
Токовая петля 20 мА
Токовые петли передают слабые сигналы на большие расстояния в шумной обстановке. Ток обычно генерируется технологическим преобразователем, который преобразует такие переменные, как температура или давление, в постоянный ток в диапазоне от 0 мА до 20 мА или от 4 мА до 20 мА. Затем ток протекает через шунтирующий резистор, создавая пропорциональное падение напряжения, которое легко оцифровать. Поскольку соответствующее напряжение, доступное для управления контуром,-включая сопротивление провода-редко превышает 15–18 В, значение резистора ограничено несколькими сотнями Ом (рис. 4).
Рисунок 4. Объединение усилителя, показанного на рисунке 3, с сигналом токовой петли, полученным от шунтирующего резистора сопротивлением 220 Ом, дает удобный несимметричный-выходной сигнал.Эта схема оснащена тем же дифференциальным усилителем, что и схема формирования напряжения ±10 В, а также шунтирующим резистором сопротивлением 220 Ом. Падение напряжения на этом резисторе составляет 4,20 В при токе 4 мА и 5,25 В при токе 5 мА. Коэффициент усиления дифференциального усилителя настраивается на входе АЦП до максимального значения 4,62 В. Таким образом, DAS, запрограммированный на вход 0,5 В, может оцифровать этот сигнал с максимальным разрешением 11,8 бит.
Поскольку MAX198/MAX199 и MAX128 имеют наименьший входной диапазон в этой серии, они работают с небольшим шунтирующим резистором и не требуют регулировки усиления. Это делает их более подходящими для измерений тока 10 мА в системах, которые не требуют других измерений высокого-уровня (до ±20 В). Чтобы адаптировать схему, показанную на рисунке 4, для использования с MAX199, настройте MAX199 на входной диапазон от 0 до 2 В и замените резистор 536 кОм на 470 кОм. Используйте шунтирующий резистор 86Ом.
Адаптация датчика
Термопары, тензорезисторы и другие распространенные датчики выдают нелинейные сигналы низкого-уровня, чувствительные к электромагнитным помехам. Поэтому, прежде чем отправить эту информацию в систему управления, передатчик 4–20 мА сначала линеаризует и кондиционирует сигнал. Для менее важных задач измерения температуры резистивные температурные детекторы (RTD) могут измерять температуру до 850 градусов на больших расстояниях, не требуя дорогостоящего преобразования сигнала.
Самым популярным термометром сопротивления является стандартизированный платиновый датчик температуры, известный как PT100, имеющий сопротивление 0 Ом при 100 градусах и линейный температурный коэффициент 0,38 Ом/градус. Он также имеет меньший нелинейный температурный коэффициент, что делает его характеристику Ом/градус почти линейной в узком диапазоне. В отличие от термопар, где выходное напряжение представляет собой разницу температур между двумя точками, сопротивление RTD напрямую представляет собой абсолютную температуру датчика.
Измерение достигается путем подачи тока от 1 до 2 мА через датчик и измерения падения напряжения на его клеммах. Более высокие токи приводят к ошибкам измерений из-за само-нагрева, вызванного увеличением рассеиваемой мощности внутри датчика. Внутренний источник опорного напряжения 4,096 В упрощает генерацию тока возбуждения датчика (рис. 5).
Рисунок 5. Эта схема подает ток на датчик RTD и оцифровывает результирующий выходной сигнал.
Чтобы сопротивление проводов не влияло на точность измерений, четыре независимых провода соединяют RTD с дифференциальным усилителем. Поскольку чувствительные провода подключаются к входу усилителя с высоким-импедансом, ток в них очень мал, что приводит к незначительному падению напряжения. Опорное напряжение 4096 мВ и резистор обратной связи 3,3 кОм устанавливают ток возбуждения приблизительно равным 4096 мВ/3,3 кОм=1.24мА. Следовательно, управление АЦП и источником тока одним и тем же опорным напряжением позволяет проводить измерение коэффициента трансформации, при котором дрейф опорного напряжения не влияет на результат преобразования.
Настройте MAX197 на входной диапазон от 0 В до 5 В и установите коэффициент усиления дифференциального усилителя равным 10 для измерения значений сопротивления до 400 Ом, что соответствует примерно 800 градусам. Микропроцессор может линеаризовать сигнал датчика, используя справочную таблицу. Для калибровки системы замените RTD двумя прецизионными резисторами (100 Ом соответствует нулю, 300 Ом или выше соответствует полной шкале) и сохраните результаты преобразования.
Вместо того, чтобы выделять определенные схемы для определенных входных диапазонов, схема, показанная на рисунке 6, адаптирует вход АЦП для соответствия любому диапазону сигналов, описанному ранее. Выбор входного контакта и входного диапазона АЦП (таблица 1) позволяет выбрать подходящую конфигурацию.
Рисунок 6. Эта универсальная входная схема адаптирует АЦП к диапазону сигналов на каждом входном канале.