Els sistemes de control industrial continuen confiant en senyals analògics estàndard per transmetre dades entre els equips de control i de procés. Els senyals de bucle de corrent estables de 4 a 20 mA poden travessar fàcilment milers de peus, mentre que els senyals de ± 5 i ± 10 V també són habituals en els sistemes industrials.
Aquesta nota d'aplicació mostra les solucions del sistema integrat d'adquisició de dades (DAS) de Maxim. Les solucions DAS de Maxim estalvien espai a la placa, consum d'energia i temps de disseny alhora que converteixen senyals analògics industrials estàndard amb components externs mínims.
Introducció
Malgrat les múltiples versions dels busos de camp digitals, els sistemes de control industrial continuen confiant en senyals analògics estàndard per transmetre dades entre els equips de control i de procés. Per exemple, els transmissors de procés de les plantes químiques converteixen els senyals de baix-nivell de temperatura i pressió en senyals de bucle de corrent estables de 4 a 20 mA que poden viatjar fàcilment milers de peus.
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 quan s'impulsa per una font de corrent de 100 mA).
Les funcions de control dins de l'entorn del procés s'implementen mitjançant PLC (controladors lògics programables), PCS (sistemes de control de processos) o (més recentment) IPC (ordinadors personals industrials). Com que aquests dispositius són sistemes digitals que executen programari-de processos específics, tots els senyals analògics s'han de convertir a digitals abans que l'ordinador els pugui llegir.
La conversió A/D dins dels sistemes de control es realitza mitjançant plaques o caixes anomenades "perifèrics analògics". Aquests es connecten a la CPU mitjançant el bus de la placa posterior del sistema o el bus de camp quan s'instal·len de forma remota (p. ex., a la maquinària). Més enllà dels circuits digitals (per a la comunicació de la CPU), aquests perifèrics incorporen diversos components de senyal analògic de precisió i{4}}mixt. La necessitat de més canals per placa o paquets més petits (per al muntatge de màquines) comporta restriccions d'espai i potència, la qual cosa presenta el repte principal de disseny per als perifèrics analògics. El circuit següent il·lustra les tècniques de condicionament del senyal i descriu un mètode per digitalitzar fins a vuit canals amb un sol xip.
Sistema d'adquisició de dades
El sistema avançat d'adquisició de dades (figura 1) inclou un multiplexor (mux) per canviar entre canals d'entrada, un circuit de condicionament del senyal que proporciona un ajust de guany i compensació per a diferents rangs d'entrada i un convertidor analògic-a-digital (ADC) amb una tensió de referència (VREF).
Figura 1. Aquest diagrama il·lustra els components bàsics del sistema d'adquisició de dades.
Solucions DAS integrades
En integrar els mòduls bàsics que es mostren a la figura 1, Maxim ha desenvolupat una sèrie de sistemes d'adquisició de dades d'un sol-xip que estalvien espai a la placa, consum d'energia i temps de disseny. Aquests xips requereixen components externs mínims (cap en alguns casos) i poden convertir la majoria de senyals estàndard que s'utilitzen actualment. Cada dispositiu incorpora un ADC de 12 bits, un multiplexor i una correcció de guany/offset, amb una interfície digital en sèrie o paral·lel per a una fàcil connexió a la majoria de microprocessadors.
El diagrama de blocs següent (figura 2) il·lustra una configuració típica d'aquesta sèrie. Les principals diferències es troben en la secció digital connectada al microprocessador. Cada xip proporciona 16 o 5 canals d'entrada analògic d'un sol-extrem connectats a l'ADC intern mitjançant multiplexors-protegits contra errors. Qualsevol canal pot suportar tensions d'entrada de fins a<>.<>V, i un error en qualsevol canal no afecta les conversions de cap altre canal.
Figura 2. Les funcions que es mostren a la figura 1 estan integrades en aquest xip.
Cada canal es pot programar de manera independent per a un rang d'entrada estàndard (0 a 5 V, 0 a 10 V, ± 5 V o ± 10 V) mentre està alimentat per una única font de 5 V. Altres dispositius tenen estructures de guany similars, però accepten diferents intervals d'entrada: 2V o 4V unipolar o bipolar, o VREF o -VREF unipolar o bipolar. La capacitat de variació de guany de 100x amb un desplaçament d'entrada del 10% (de -10V a +2V) amplia el rang dinàmic en 14 bits, donant com a resultat sistemes amb<>Interval dinàmic de -bits.
L'ADC intern és un tipus d'aproximació successiva de 12 bits basat en un DAC capacitiu, on la capacitat MSB també funciona com a condensador de retenció al circuit de mostra/retenció. Cada dispositiu pot funcionar mitjançant l'oscil·lador intern o un rellotge extern.
Els dispositius MAX196 a MAX199 utilitzen polsos /WR per iniciar i aturar l'adquisició, proporcionant temps d'adquisició relativament llargs en "mode d'adquisició externa" sense reduir la velocitat de conversió. El retard d'obertura curta del dispositiu i la fluctuació d'obertura baixa (<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.
Interfície digital
Les aplicacions que requereixen mesures d'alta-velocitat es donen millor servei amb interfícies de dades paral·leles (MAX196 a MAX199). Aquests dispositius aconsegueixen un rendiment de 2Ksps a cadences de rellotge de 100 MHz, suficient per a la majoria de bucles de control d'-alta velocitat. Per a aplicacions de menor velocitat-, les versions d'interfície compatibles I²C-disponibles estalvien espai a la placa i simplifiquen la comunicació entre el DAS i els microcontroladors. Aquests dispositius tenen temps de conversió ràpids (10 μs), però la interfície sèrie limita el seu rendiment a 8 kbps.
Per exemple, el MAX197 accepta entrades de 0V a 10V, 0V a 5V, ±5V i ±10V. La impedància de la font que condueix aquestes entrades és una preocupació principal per als usuaris. Durant el mostreig, l'ADC treu un pols de corrent per carregar el seu condensador T/H (el condensador MSB per als DAC capacitius). Per tant, cal un amplificador operacional d'assentament-ràpid amb una velocitat de variació suficient per garantir una instal·lació adequada de la tensió durant l'adquisició. Els amplificadors operacionals MXL1013/MXL1014 funcionen bé per aconseguir taxes de mostreig ràpides. Per als amplificadors operacionals més lents, el temps d'adquisició s'ha d'allargar.
Les entrades diferencials que s'utilitzen en molts sistemes d'automatització són relativament insensibles a les interferències en mode-comú. En la majoria dels casos, n'hi ha prou amb un circuit amplificador diferencial simple (figura 3) amb una impedància d'entrada superior a 1 MΩ. (Per a una impedància d'entrada més alta, utilitzeu un amplificador d'instrumentació d'amplificador operatiu estàndard de 3-.) La sortida que es mostra a la figura 3 és
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Per a un rebuig alt en mode comú-, establiu R1=R3 i R2=R4. El guany de la combinació mostrada és de 0,876, ampliant el rang d'entrada de ± 10 V aproximadament un 114% per mesurar senyals més enllà del rang. Aquest ajust redueix la resolució de la banda de ±10V a aproximadament 11,8 bits.
Figura 3. Un amplificador diferencial senzill proporciona una alta impedància d'entrada i una sortida d'un sol-extrem.
Bucle de corrent de 20 mA
Els bucles de corrent transmeten petits senyals a llargues distàncies en entorns sorollosos. El corrent el genera normalment un transmissor de procés, que converteix variables com la temperatura o la pressió en un corrent continu dins del rang de 0 mA a 20 mA o de 4 mA a 20 mA. Aleshores, el corrent flueix a través d'una resistència de derivació, creant una caiguda de tensió proporcional que es pot digitalitzar fàcilment. Com que la tensió compatible disponible per conduir el bucle-inclosa la resistència del cable-poques vegades supera els 15V a 18V, el valor de la resistència es limita a uns quants centenars d'ohms (figura 4).
Figura 4. La combinació de l'amplificador que es mostra a la figura 3 amb el senyal de bucle de corrent derivat de la resistència de derivació de 220Ω produeix una còmoda sortida d'un sol -extrem.Aquest circuit compta amb el mateix amplificador diferencial que el circuit de condicionament de ±10V, juntament amb una resistència de derivació de 220Ω. Aquesta resistència presenta una caiguda de tensió de 4,20 V a 4 mA i de 5,25 V a 5 mA. El guany de l'amplificador diferencial s'ajusta a l'entrada ADC a un màxim de 4,62 V. Per tant, un DAS programat per a una entrada de 0,5 V pot digitalitzar aquest senyal amb una resolució màxima d'11,8 bits.
Com que els MAX198/MAX199 i MAX128 tenen el rang d'entrada més petit d'aquesta sèrie, funcionen amb una petita resistència de derivació sense necessitat d'ajustar el guany. Això els fa més adequats per a mesures de 10 mA en sistemes que no requereixen altres mesures d'-alt nivell (fins a ±20 V). Per adaptar el circuit que es mostra a la figura 4 per utilitzar-lo amb el MAX199, configureu el MAX199 per a un rang d'entrada de 0 a 2 V i canvieu la resistència de 536 kΩ a 470 kΩ. Utilitzeu una resistència de derivació de 86Ω.
Adaptació del sensor
Els termoparells, els extensometres i altres sensors habituals proporcionen senyals no lineals de baix-nivell que són sensibles a l'EMI. Per tant, abans d'enviar aquesta informació al sistema de control, un transmissor de 4-20mA primer linealitza i condiciona el senyal. Per a aplicacions de mesura de temperatura menys crítiques, els detectors de temperatura de resistència (RTD) poden mesurar temperatures de fins a 850 graus a llargues distàncies sense requerir un costós condicionament del senyal.
El RTD més popular és el sensor de temperatura de platí estandarditzat conegut com a PT100, amb una resistència de 0Ω a 100 graus i un coeficient de temperatura lineal de 0,38Ω/ grau. També presenta un coeficient de temperatura no lineal més petit, fent que la seva característica Ω/grau sigui gairebé lineal en un rang estret. A diferència dels termoparells, on la sortida de tensió representa la diferència de temperatura entre dos punts, la resistència del RTD representa directament la temperatura absoluta del sensor.
La mesura s'aconsegueix conduint un corrent d'1mA a 2mA a través del sensor i mesurant la caiguda de tensió als seus terminals. Els corrents més alts introdueixen errors de mesura a causa de l'autoescalfament causat per l'augment de la dissipació de potència dins del sensor. Una referència interna de 4,096 V simplifica la generació del corrent d'excitació del sensor (figura 5).
Figura 5. Aquest circuit subministra corrent al sensor RTD i digitalitza la sortida resultant.
Per evitar que la resistència del cable afecti la precisió de la mesura, quatre cables independents connecten el RTD a l'amplificador diferencial. Com que els cables de detecció es connecten a l'entrada d'alta-impedància de l'amplificador, el seu corrent és molt baix, la qual cosa provoca una caiguda de tensió insignificant. La tensió de referència de 4096 mV i la resistència de retroalimentació de 3,3 kΩ configuren el corrent d'excitació a aproximadament 4096 mV/3,3 kΩ=1.24mA. En conseqüència, conduir tant l'ADC com la font de corrent amb la mateixa tensió de referència permet mesurar la relació on la deriva de la tensió de referència no afecta el resultat de la conversió.
Configureu el MAX197 per a un rang d'entrada de 0V a 5V i configureu el guany diferencial de l'amplificador a 10 per mesurar valors de resistència de fins a 400Ω, que representen aproximadament 800 graus. El microprocessador pot linealitzar el senyal del sensor mitjançant una taula de cerca. Per calibrar el sistema, substituïu el RTD per dues resistències de precisió (100Ω que representa zero, 300Ω o més que representa a escala completa) i emmagatzemeu els resultats de la conversió.
En lloc de dedicar circuits específics a rangs d'entrada particulars, el circuit que es mostra a la figura 6 adapta l'entrada ADC per adaptar-se a qualsevol rang de senyal descrit anteriorment. La selecció del pin d'entrada i el rang d'entrada ADC (taula 1) permet triar la configuració adequada.
Figura 6. Aquest circuit d'entrada universal adapta l'ADC al rang de senyal de cada canal d'entrada.