Industriella styrsystem fortsätter att förlita sig på analoga standardsignaler för att överföra data mellan process- och styrutrustning. Stabila 4 till 20mA strömslingsignaler kan lätt passera tusentals fot, medan ±5 och ±10V signaler också är vanliga i industriella system.
Denna applikationsanteckning visar Maxims lösningar för integrerat datainsamlingssystem (DAS). Maxims DAS-lösningar sparar kortutrymme, strömförbrukning och designtid samtidigt som de konverterar vanliga industriella analoga signaler med minimala externa komponenter.
Introduktion
Trots flera versioner av digitala fältbussar, fortsätter industriella styrsystem att förlita sig på analoga standardsignaler för att överföra data mellan process- och styrutrustning. Processsändare i kemiska fabriker omvandlar till exempel låg-temperatur- och trycksignaler till stabila 4 till 20 mA strömslingsignaler som lätt kan resa tusentals fot.
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 när den drivs av en 100mA strömkälla).
Styrfunktioner inom processmiljön implementeras av PLC:er (Programmable Logic Controllers), PCS:er (Process Control Systems) eller (på senare tid) IPC:er (Industrial Personal Computers). Eftersom dessa enheter är digitala system som kör process-specifik programvara måste alla analoga signaler konverteras till digitala innan datorn kan läsa dem.
A/D-konvertering inom styrsystem utförs av kort eller lådor som kallas "analog kringutrustning". Dessa ansluts till CPU:n via systemets bakplansbuss eller fältbuss när de är fjärrinstallerade (t.ex. på maskiner). Utöver digitala kretsar (för CPU-kommunikation) innehåller dessa kringutrustning olika precisionsanaloga och blandade-signalkomponenter. Behovet av fler kanaler per kort eller mindre paket (för maskinmontering) leder till utrymmes- och effektbegränsningar, vilket utgör den primära designutmaningen för analog kringutrustning. Följande krets illustrerar signalkonditioneringstekniker och beskriver en metod för att digitalisera upp till åtta kanaler med användning av ett enda chip.
Datainsamlingssystem
Det avancerade datainsamlingssystemet (Figur 1) består av en multiplexer (mux) för att växla mellan ingångskanaler, en signalkonditioneringskrets som ger förstärknings- och offsetjustering för olika ingångsområden och en analog-till-digitalomvandlare (ADC) med en referensspänning (VREF).
Figur 1. Detta diagram illustrerar de grundläggande komponenterna i datainsamlingssystemet.
Integrerade DAS-lösningar
Genom att integrera de grundläggande modulerna som visas i figur 1 har Maxim utvecklat en serie datainsamlingssystem för enstaka-chip som sparar kortutrymme, strömförbrukning och designtid. Dessa chips kräver minimala externa komponenter (ingen i vissa fall) och kan konvertera de flesta standardsignaler som används för närvarande. Varje enhet har en 12-bitars ADC, multiplexer och förstärkning/offset-korrigering, med ett seriellt eller parallellt digitalt gränssnitt för enkel anslutning till de flesta mikroprocessorer.
Följande blockschema (Figur 2) illustrerar en typisk konfiguration för denna serie. De primära skillnaderna ligger i den digitala sektionen ansluten till mikroprocessorn. Varje chip tillhandahåller 16 eller 5 enkel-analoga ingångskanaler anslutna till den interna ADC:n via -felskyddade multiplexorer. Vilken kanal som helst tål ingångsspänningar upp till<>.<>V, och ett fel på någon kanal påverkar inte konverteringar på någon annan kanal.
Figur 2. Funktionerna som visas i figur 1 är integrerade i detta chip.
Varje kanal kan programmeras oberoende för ett standardingångsområde (0 till 5V, 0 till 10V, ±5V eller ±10V) samtidigt som den drivs av en enda 5V-källa. Andra enheter har liknande förstärkningsstrukturer men accepterar olika ingångsintervall: unipolär eller bipolär 2V eller 4V, eller unipolär eller bipolär VREF eller -VREF. Möjligheten till 100x förstärkningsvariation med 10 % ingångsoffset (från -10V till +2V) utökar det dynamiska området med 14 bitar, vilket resulterar i system med<>-bitars dynamiskt intervall.
Den interna ADC:n är en 12-bitars successiv approximationstyp baserad på en kapacitiv DAC, där MSB-kapacitansen också fungerar som hållkondensator i sampel/hållkretsen. Varje enhet kan fungera med antingen den interna oscillatorn eller en extern klocka.
MAX196 till MAX199-enheterna använder /WR-pulser för att starta och stoppa inhämtningen, vilket ger relativt långa insamlingstider i "externt insamlingsläge" utan att sänka omvandlingshastigheten. Enhetens korta bländarfördröjning och låga bländare 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.
Digitalt gränssnitt
Applikationer som kräver mätningar med hög-hastighet betjänas bäst av parallella datagränssnitt (MAX196 till MAX199). Dessa enheter uppnår 2Ksps genomströmning vid 100MHz klockfrekvenser, tillräckligt för de flesta höghastighetskontrollslingor. För applikationer med lägre-hastighet sparar tillgängliga I²C-kompatibla gränssnittsversioner kortutrymme och förenklar kommunikationen mellan DAS och mikrokontroller. Dessa enheter har snabba konverteringstider (10μs), men det seriella gränssnittet begränsar deras genomströmning till 8kbps.
Till exempel accepterar MAX197 0V till 10V, 0V till 5V, ±5V och ±10V ingångar. Källimpedansen som driver dessa ingångar är ett primärt bekymmer för användarna. Under samplingen drar ADC:n en strömpuls för att ladda sin T/H-kondensator (MSB-kondensatorn för kapacitiva DAC). Därför krävs en snabb{10}}inställningsförstärkare med tillräcklig svänghastighet för att säkerställa adekvat spänningsinställning under inhämtningen. MXL1013/MXL1014 operationsförstärkare presterar bra när det gäller att uppnå snabba samplingshastigheter. För långsammare operationsförstärkare måste insamlingstiden förlängas.
Differentiella ingångar som används i många automationssystem är relativt okänsliga för vanliga-lägesstörningar. I de flesta fall räcker det med en enkel differentialförstärkarkrets (Figur 3) med ingångsimpedans som överstiger 1MΩ. (För högre ingångsimpedans, använd en standard 3-op-amp instrumenteringsförstärkare.) Utgången som visas i figur 3 är
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
För högt vanligt-lägesavslag, ställ in R1=R3 och R2=R4. Förstärkningen för den visade kombinationen är 0,876, vilket utökar ±10V-ingångsområdet med cirka 114 % för att mäta signaler utanför intervallet. Denna justering minskar upplösningen för ±10V-bandet till cirka 11,8 bitar.
Figur 3. En enkel differentialförstärkare ger hög ingångsimpedans och enkel-utgång.
20mA strömslinga
Strömslingor sänder små signaler över långa avstånd i bullriga miljöer. Strömmen genereras vanligtvis av en processsändare, som omvandlar variabler som temperatur eller tryck till en likström inom området 0mA till 20mA eller 4mA till 20mA. Strömmen flyter sedan genom ett shuntmotstånd, vilket skapar ett proportionellt spänningsfall som enkelt kan digitaliseras. Eftersom den kompatibla spänningen som är tillgänglig för att driva slingan-inklusive trådresistans-sällan överstiger 15V till 18V, är motståndsvärdet begränsat till några hundra ohm (Figur 4).
Figur 4. Kombination av förstärkaren som visas i figur 3 med strömslingsignalen härledd från 220Ω shuntmotståndet ger en bekväm enkel-utgång.Denna krets har samma differentialförstärkare som ±10V konditioneringskretsen, tillsammans med ett 220Ω shuntmotstånd. Detta motstånd uppvisar ett spänningsfall på 4,20V vid 4mA och 5,25V vid 5mA. Differentialförstärkarens förstärkning justeras vid ADC-ingången till maximalt 4,62V. Därför kan en DAS programmerad för en 0,5V-ingång digitalisera denna signal med en maximal upplösning på 11,8 bitar.
Eftersom MAX198/MAX199 och MAX128 har det minsta ingångsområdet i den här serien, arbetar de med ett litet shuntmotstånd utan att behöva justera förstärkningen. Detta gör dem mer lämpade för 10mA-mätningar i system som inte kräver andra hög-mätningar (upp till ±20V). För att anpassa kretsen som visas i figur 4 för användning med MAX199, konfigurera MAX199 för ett 0 till 2V ingångsområde och ändra 536kΩ-motståndet till 470kΩ. Använd ett 86Ω shuntmotstånd.
Sensoranpassning
Termoelement, töjningsmätare och andra vanliga sensorer ger olinjära-lågnivåsignaler som är känsliga för EMI. Därför, innan denna information skickas till styrsystemet, linjäriserar och konditionerar en 4-20mA-sändare först signalen. För mindre kritiska temperaturmätningsapplikationer kan motståndstemperaturdetektorer (RTD) mäta temperaturer upp till 850 grader över långa avstånd utan att kräva dyr signalkonditionering.
Den mest populära RTD:n är den standardiserade platinatemperatursensorn känd som PT100, med ett motstånd på 0Ω vid 100 grader och en linjär temperaturkoefficient på 0,38Ω/grad. Den uppvisar också en mindre olinjär temperaturkoefficient, vilket gör dess Ω/grad-karakteristik nästan linjär över ett smalt område. Till skillnad från termoelement, där spänningsutgången representerar temperaturskillnaden mellan två punkter, representerar RTD:s resistans direkt sensorns absoluta temperatur.
Mätning uppnås genom att driva en ström på 1mA till 2mA genom sensorn och mäta spänningsfallet över dess terminaler. Högre strömmar introducerar mätfel på grund av själv-uppvärmning orsakad av ökad effektförlust inuti sensorn. En intern referens på 4,096V förenklar genereringen av sensorns exciteringsström (Figur 5).
Figur 5. Denna krets matar ström till RTD-sensorn och digitaliserar den resulterande utsignalen.
För att förhindra att trådmotståndet påverkar mätnoggrannheten, ansluter fyra oberoende kablar RTD:n till differentialförstärkaren. Eftersom avkänningskablarna ansluter till förstärkarens höga-impedansingång är deras ström mycket låg, vilket resulterar i ett försumbart spänningsfall. Referensspänningen på 4 096 mV och återkopplingsmotståndet på 3,3 kΩ ställer in exciteringsströmmen till ungefär 4 096 mV/3,3 kΩ=1.24mA. Följaktligen möjliggör drivning av både ADC och strömkällan med samma referensspänning en kvotmätning där referensspänningsdrift inte påverkar omvandlingsresultatet.
Konfigurera MAX197 för ett 0V till 5V ingångsområde och ställ in differentialförstärkarens förstärkning till 10 för att mäta resistansvärden upp till 400Ω, vilket motsvarar ungefär 800 grader. Mikroprocessorn kan linjärisera sensorsignalen med hjälp av en uppslagstabell. För att kalibrera systemet, byt ut RTD:n med två precisionsmotstånd (100Ω representerar noll, 300Ω eller högre representerar full skala) och lagra omvandlingsresultaten.
I stället för att dedicera specifika kretsar till särskilda ingångsområden, anpassar kretsen som visas i figur 6 ADC-ingången för att ta emot varje signalområde som beskrivits tidigare. Genom att välja ingångsstift och ADC-ingångsområde (tabell 1) kan du välja lämplig konfiguration.
Figur 6. Denna universella ingångskrets anpassar ADC:n till signalområdet på varje ingångskanal.