Endüstriyel kontrol sistemleri, proses ve kontrol ekipmanı arasında veri aktarımı için standart analog sinyallere güvenmeye devam ediyor. Stabil 4 ila 20mA akım döngüsü sinyalleri binlerce fitlik mesafeyi kolaylıkla geçebilir; ±5 ve ±10V sinyalleri de endüstriyel sistemlerde yaygındır.
Bu uygulama notu Maxim'in entegre veri toplama sistemi (DAS) çözümlerini göstermektedir. Maxim'in DAS çözümleri, minimum harici bileşenle standart endüstriyel analog sinyalleri dönüştürürken kart alanından, güç tüketiminden ve tasarım süresinden tasarruf sağlar.
giriiş
Dijital fieldbus'ların birden fazla versiyonuna rağmen endüstriyel kontrol sistemleri, proses ve kontrol ekipmanı arasında veri iletimi için standart analog sinyallere güvenmeye devam ediyor. Örneğin, kimya tesislerindeki proses vericileri, düşük-seviyeli sıcaklık ve basınç sinyallerini, kolaylıkla binlerce fit yol kat edebilen, kararlı 4 ila 20 mA akım döngüsü sinyallerine dönüştürür.
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 (>100mA akım kaynağı tarafından sürüldüğünde 1mV).
Proses ortamındaki kontrol fonksiyonları, PLC'ler (Programlanabilir Lojik Kontrolörler), PCS'ler (Proses Kontrol Sistemleri) veya (daha yakın zamanda) IPC'ler (Endüstriyel Kişisel Bilgisayarlar) tarafından uygulanır. Bu cihazlar, işleme özel yazılımı çalıştıran dijital sistemler olduğundan-, bilgisayarın okuyabilmesi için tüm analog sinyallerin dijitale dönüştürülmesi gerekir.
Kontrol sistemleri içindeki A/D dönüşümü, "analog çevre birimleri" olarak adlandırılan kartlar veya kutular tarafından gerçekleştirilir. Bunlar, uzaktan kurulduğunda (örn. makinelere) sistemin arka panel veri yolu veya veri yolu aracılığıyla CPU'ya bağlanır. Dijital devrelerin (CPU iletişimi için) ötesinde, bu çevre birimleri çeşitli hassas analog ve karışık-sinyal bileşenlerini içerir. Kart başına daha fazla kanala veya daha küçük paketlere (makine montajı için) duyulan ihtiyaç, alan ve güç kısıtlamalarına yol açarak analog çevre birimleri için temel tasarım zorluğunu ortaya koyuyor. Aşağıdaki devre, sinyal koşullandırma tekniklerini gösterir ve tek bir çip kullanarak sekize kadar kanalın sayısallaştırılmasına yönelik bir yöntemi açıklar.
Veri Toplama Sistemi
Gelişmiş veri toplama sistemi (Şekil 1), giriş kanalları arasında geçiş yapmak için bir çoklayıcı (mux), farklı giriş aralıkları için kazanç ve ofset ayarlaması sağlayan bir sinyal koşullandırma devresi ve referans voltajına (VREF) sahip bir analog-to-dijital dönüştürücüden (ADC) oluşur.
Şekil 1. Bu diyagram, veri toplama sisteminin temel bileşenlerini göstermektedir.
Entegre DAS Çözümleri
Maxim, Şekil 1'de gösterilen temel modülleri entegre ederek kart alanından, güç tüketiminden ve tasarım süresinden tasarruf sağlayan bir dizi tek- çipli veri toplama sistemi geliştirdi. Bu çipler minimum miktarda harici bileşen gerektirir (bazı durumlarda hiç yoktur) ve şu anda kullanımda olan standart sinyallerin çoğunu dönüştürebilir. Her cihaz, çoğu mikroişlemciye kolay bağlantı için seri veya paralel dijital arayüze sahip 12 bitlik bir ADC, çoklayıcı ve kazanç/ofset düzeltme içerir.
Aşağıdaki blok diyagram (Şekil 2) bu seri için tipik bir konfigürasyonu göstermektedir. Temel farklar mikroişlemciye bağlı dijital bölümde yatmaktadır. Her çip, hata-korumalı çoklayıcılar aracılığıyla dahili ADC'ye bağlanan 16 veya 5 tek-uçlu analog giriş kanalı sağlar. Herhangi bir kanal, giriş voltajlarına kadar dayanabilir<>.<>V ve herhangi bir kanaldaki hata, diğer kanallardaki dönüşümleri etkilemez.
Şekil 2. Şekil 1'de gösterilen işlevler bu çipe entegre edilmiştir.
Her kanal, tek bir 5V beslemeyle beslenirken standart bir giriş aralığı (0 ila 5V, 0 ila 10V, ±5V veya ±10V) için bağımsız olarak programlanabilir. Diğer cihazlar benzer kazanç yapılarına sahiptir ancak farklı giriş aralıklarını kabul eder: tek kutuplu veya iki kutuplu 2V veya 4V veya tek kutuplu veya iki kutuplu VREF veya -VREF. %10 giriş ofsetiyle (-10V'den +2V'ye) 100x kazanç varyasyonu özelliği, dinamik aralığı 14 bit kadar genişletir ve bu da sistemlerde<>-bit dinamik aralık.
Dahili ADC, MSB kapasitansının aynı zamanda örnekleme/tutma devresinde tutma kapasitörü olarak da görev yaptığı kapasitif bir DAC'yi temel alan 12 bitlik ardışık bir yaklaşım türüdür. Her cihaz dahili osilatör veya harici bir saat kullanarak çalışabilir.
MAX196 ila MAX199 cihazları, edinimi başlatmak ve durdurmak için /WR darbelerini kullanır ve dönüşüm hızını yavaşlatmadan "harici edinim modunda" nispeten uzun edinim süreleri sağlar. Cihazın kısa diyafram gecikmesi ve düşük diyafram titreşimi (<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.
Dijital Arayüz
Yüksek-hızlı ölçümler gerektiren uygulamalar en iyi şekilde paralel veri arayüzleri (MAX196 ila MAX199) tarafından sunulur. Bu cihazlar, çoğu yüksek hızlı kontrol döngüsü için yeterli olan, 100 MHz saat hızlarında 2 Ks/sn aktarım hızına ulaşır. Daha düşük-hızlı uygulamalar için, mevcut I²C-uyumlu arayüz sürümleri kart alanından tasarruf sağlar ve DAS ile mikro denetleyiciler arasındaki iletişimi basitleştirir. Bu cihazlar hızlı dönüşüm sürelerine (10μs) sahiptir, ancak seri arayüz bunların verimini 8kbps ile sınırlandırır.
Örneğin MAX197, 0V ila 10V, 0V ila 5V, ±5V ve ±10V girişlerini kabul eder. Bu girdileri yönlendiren kaynak empedansı kullanıcılar için birincil öneme sahiptir. Örnekleme sırasında ADC, T/H kapasitörünü (kapasitif DAC'ler için MSB kapasitörü) şarj etmek için bir akım darbesi çeker. Bu nedenle, satın alma sırasında yeterli voltajın ayarlanmasını sağlamak için yeterli dönüş hızına sahip hızlı{10}}yerleşen bir işlemsel amplifikatör gereklidir. MXL1013/MXL1014 işlemsel yükselteçler, hızlı örnekleme oranlarına ulaşmada iyi performans gösterir. Daha yavaş işlemsel yükselteçler için edinim süresinin uzatılması gerekir.
Birçok otomasyon sisteminde kullanılan diferansiyel girişler, ortak-mod müdahalesine karşı nispeten duyarsızdır. Çoğu durumda, giriş empedansı 1MΩ'u aşan basit bir diferansiyel amplifikatör devresi (Şekil 3) yeterlidir. (Daha yüksek giriş empedansı için standart bir 3-op-amp enstrümantasyon amplifikatörü kullanın.) Şekil 3'te gösterilen çıkış,
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Yüksek ortak-mod reddi için, R1=R3 ve R2=R4'ü ayarlayın. Gösterilen kombinasyonun kazancı 0,876'dır ve aralığın ötesindeki sinyalleri ölçmek için ±10V giriş aralığını yaklaşık %114 oranında genişletir. Bu ayar ±10V bandının çözünürlüğünü yaklaşık 11,8 bit'e düşürür.
Şekil 3. Basit bir diferansiyel amplifikatör, yüksek giriş empedansı ve tek uçlu çıkış sağlar.
20mA Akım Döngüsü
Akım döngüleri, gürültülü ortamlarda uzun mesafeler boyunca küçük sinyalleri iletir. Akım tipik olarak sıcaklık veya basınç gibi değişkenleri 0mA ila 20mA veya 4mA ila 20mA aralığında bir doğru akıma dönüştüren bir proses vericisi tarafından üretilir. Akım daha sonra bir şönt direnç üzerinden akar ve kolayca dijitalleştirilebilen orantılı bir voltaj düşüşü yaratır. Döngüyü çalıştırmak için mevcut uyumlu voltaj-kablo direnci dahil-nadiren 15V ile 18V arasında olduğundan, direnç değeri birkaç yüz ohm ile sınırlıdır (Şekil 4).
Şekil 4. Şekil 3'te gösterilen amplifikatörün 220Ω şönt direncinden türetilen akım döngü sinyali ile birleştirilmesi, uygun bir tek-uçlu çıkış üretir.Bu devre, 220Ω şönt dirençle birlikte ±10V koşullandırma devresiyle aynı diferansiyel amplifikatöre sahiptir. Bu direnç 4mA'da 4,20V ve 5mA'da 5,25V'luk bir voltaj düşüşü sergiler. Diferansiyel amplifikatörün kazancı ADC girişinde maksimum 4,62V'a ayarlanır. Bu nedenle, 0,5V giriş için programlanan bir DAS, bu sinyali maksimum 11,8 bit çözünürlükle sayısallaştırabilir.
MAX198/MAX199 ve MAX128 bu serideki en küçük giriş aralığına sahip olduğundan kazanç ayarı gerektirmeden küçük bir şönt dirençle çalışırlar. Bu, onları diğer yüksek seviyeli ölçümleri (±20V'a kadar) gerektirmeyen sistemlerde 10mA ölçümleri için daha uygun hale getirir. Şekil 4'te gösterilen devreyi MAX199 ile kullanıma uyarlamak için MAX199'u 0 ila 2V giriş aralığı için yapılandırın ve 536kΩ direncini 470kΩ olarak değiştirin. Bir 86Ω şönt direnci kullanın.
Sensör Adaptasyonu
Termokupllar, gerinim ölçerler ve diğer yaygın sensörler, EMI'ye duyarlı, düşük-düzeyli, doğrusal olmayan sinyaller sağlar. Bu nedenle, bu bilgiyi kontrol sistemine göndermeden önce, 4-20mA'lik bir verici öncelikle sinyali doğrusallaştırır ve koşullandırır. Daha az kritik sıcaklık ölçümü uygulamaları için, dirençli sıcaklık dedektörleri (RTD'ler), pahalı sinyal koşullandırma gerektirmeden uzun mesafelerde 850 dereceye kadar sıcaklıkları ölçebilir.
En popüler RTD, 100 derecede 0Ω dirence ve 0,38Ω/derece doğrusal sıcaklık katsayısına sahip, PT100 olarak bilinen standartlaştırılmış platin sıcaklık sensörüdür. Aynı zamanda daha küçük bir doğrusal olmayan sıcaklık katsayısı sergiler, bu da Ω/derece karakteristiğini dar bir aralıkta neredeyse doğrusal hale getirir. Gerilim çıkışının iki nokta arasındaki sıcaklık farkını temsil ettiği termokuplların aksine, RTD'nin direnci doğrudan sensörün mutlak sıcaklığını temsil eder.
Ölçüm, sensörden 1mA ila 2mA arası bir akımın sürülmesi ve terminalleri arasındaki voltaj düşüşünün ölçülmesiyle gerçekleştirilir. Daha yüksek akımlar, sensör içindeki artan güç tüketiminin neden olduğu kendi-ısınması nedeniyle ölçüm hatalarına neden olur. Dahili 4,096V referans, sensör uyarma akımının oluşturulmasını kolaylaştırır (Şekil 5).
Şekil 5. Bu devre RTD sensörüne akım sağlar ve ortaya çıkan çıktıyı dijitalleştirir.
Kablo direncinin ölçüm doğruluğunu etkilemesini önlemek için dört bağımsız kablo RTD'yi diferansiyel amplifikatöre bağlar. Algılama kabloları amplifikatörün yüksek-empedans girişine bağlandığından, akımları çok düşüktür ve bu da ihmal edilebilir voltaj düşüşüne neden olur. 4096mV referans voltajı ve 3,3kΩ geri besleme direnci, uyarma akımını yaklaşık 4096mV/3,3kΩ=1.24mA'ya ayarlar. Sonuç olarak, hem ADC'yi hem de akım kaynağını aynı referans voltajıyla sürmek, referans voltaj kaymasının dönüşüm sonucunu etkilemediği bir oran ölçümünü mümkün kılar.
MAX197'yi 0V ila 5V giriş aralığı için yapılandırın ve yaklaşık 800 dereceyi temsil eden 400Ω'a kadar direnç değerlerini ölçmek için diferansiyel amplifikatör kazancını 10'a ayarlayın. Mikroişlemci, bir arama tablosu kullanarak sensör sinyalini doğrusallaştırabilir. Sistemi kalibre etmek için RTD'yi iki hassas dirençle değiştirin (sıfırı temsil eden 100Ω, tam ölçeği temsil eden 300Ω veya daha yüksek) ve dönüştürme sonuçlarını saklayın.
Şekil 6'da gösterilen devre, belirli devreleri belirli giriş aralıklarına adamak yerine, ADC girişini daha önce açıklanan herhangi bir sinyal aralığına uyum sağlayacak şekilde uyarlar. Giriş pininin ve ADC giriş aralığının seçilmesi (Tablo 1) uygun konfigürasyonun seçilmesine olanak sağlar.
Şekil 6. Bu evrensel giriş devresi, ADC'yi her giriş kanalındaki sinyal aralığına uyarlar.