I sistemi di controllo industriale continuano a fare affidamento su segnali analogici standard per trasmettere dati tra apparecchiature di processo e di controllo. I segnali stabili del loop di corrente da 4 a 20 mA possono facilmente percorrere migliaia di piedi, mentre i segnali ±5 e ±10 V sono comuni anche nei sistemi industriali.
Questa nota applicativa illustra le soluzioni del sistema di acquisizione dati integrato (DAS) di Maxim. Le soluzioni DAS di Maxim consentono di risparmiare spazio sulla scheda, consumo energetico e tempi di progettazione convertendo allo stesso tempo segnali analogici industriali standard con componenti esterni minimi.
Introduzione
Nonostante le molteplici versioni di bus di campo digitali, i sistemi di controllo industriale continuano a fare affidamento su segnali analogici standard per trasmettere dati tra apparecchiature di processo e di controllo. Ad esempio, i trasmettitori di processo negli impianti chimici convertono i segnali di bassa-temperatura e pressione in segnali stabili del circuito di corrente da 4 a 20 mA che possono facilmente percorrere migliaia di piedi.
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 se pilotato da una sorgente di corrente da 100 mA).
Le funzioni di controllo all'interno dell'ambiente di processo sono implementate da PLC (controllori logici programmabili), PCS (sistemi di controllo di processo) o (più recentemente) IPC (personal computer industriali). Poiché questi dispositivi sono sistemi digitali che eseguono software-specifici, tutti i segnali analogici devono essere convertiti in digitali prima che il computer possa leggerli.
La conversione A/D all'interno dei sistemi di controllo viene eseguita da schede o box denominati "periferiche analogiche". Questi si collegano alla CPU tramite il bus backplane del sistema o il bus di campo quando installati in remoto (ad esempio su macchinari). Oltre ai circuiti digitali (per la comunicazione della CPU), queste periferiche incorporano vari componenti analogici di precisione e a segnale misto-. La necessità di più canali per scheda o di package più piccoli (per il montaggio su macchina) porta a vincoli di spazio e potenza, rappresentando la sfida progettuale principale per le periferiche analogiche. Il seguente circuito illustra le tecniche di condizionamento del segnale e descrive un metodo per digitalizzare fino a otto canali utilizzando un singolo chip.
Sistema di acquisizione dati
Il sistema avanzato di acquisizione dati (Figura 1) comprende un multiplexer (mux) per la commutazione tra i canali di ingresso, un circuito di condizionamento del segnale che fornisce la regolazione del guadagno e dell'offset per diversi intervalli di ingresso e un convertitore da analogico-a-digitale (ADC) con una tensione di riferimento (VREF).
Figura 1. Questo diagramma illustra i componenti di base del sistema di acquisizione dati.
Soluzioni DAS integrate
Integrando i moduli di base mostrati nella Figura 1, Maxim ha sviluppato una serie di sistemi di acquisizione dati a-chip singolo che consentono di risparmiare spazio sulla scheda, consumo energetico e tempi di progettazione. Questi chip richiedono componenti esterni minimi (nessuno in alcuni casi) e possono convertire la maggior parte dei segnali standard attualmente in uso. Ciascun dispositivo incorpora un ADC a 12 bit, un multiplexer e una correzione del guadagno/offset, dotato di un'interfaccia digitale seriale o parallela per una facile connessione alla maggior parte dei microprocessori.
Il seguente diagramma a blocchi (Figura 2) illustra una configurazione tipica per questa serie. Le differenze principali risiedono nella sezione digitale collegata al microprocessore. Ogni chip fornisce 16 o 5 canali di ingresso analogici-single ended collegati all'ADC interno tramite multiplexer-protetti dai guasti. Qualsiasi canale può sopportare tensioni di ingresso fino a<>.<>V e un errore su qualsiasi canale non influisce sulle conversioni su nessun altro canale.
Figura 2. Le funzioni mostrate nella Figura 1 sono integrate in questo chip.
Ciascun canale può essere programmato in modo indipendente per un intervallo di ingresso standard (da 0 a 5 V, da 0 a 10 V, ±5 V o ±10 V) pur essendo alimentato da una singola alimentazione da 5 V. Altri dispositivi presentano strutture di guadagno simili ma accettano intervalli di ingresso diversi: unipolare o bipolare 2 V o 4 V oppure VREF o -VREF unipolare o bipolare. La capacità di variazione del guadagno 100x con offset di ingresso del 10% (da -10 V a +2V) espande la gamma dinamica di 14 bit, risultando in sistemi con<>gamma dinamica di -bit.
L'ADC interno è del tipo ad approssimazione successiva a 12 bit basato su un DAC capacitivo, in cui la capacità MSB funziona anche come condensatore di mantenimento nel circuito di campionamento/mantenimento. Ogni dispositivo può funzionare utilizzando l'oscillatore interno o un orologio esterno.
I dispositivi da MAX196 a MAX199 utilizzano impulsi /WR per avviare e interrompere l'acquisizione, fornendo tempi di acquisizione relativamente lunghi in "modalità di acquisizione esterna" senza rallentare la velocità di conversione. Il breve ritardo di apertura del dispositivo e il basso jitter di apertura (<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.
Interfaccia digitale
Le applicazioni che richiedono misurazioni ad alta-velocità sono meglio servite da interfacce dati parallele (da MAX196 a MAX199). Questi dispositivi raggiungono un throughput di 2 Ksps con frequenze di clock di 100 MHz, sufficienti per la maggior parte dei loop di controllo ad alta-velocità. Per le applicazioni a velocità inferiore-, le versioni di interfaccia compatibili con I²C-disponibili consentono di risparmiare spazio sulla scheda e semplificare la comunicazione tra DAS e microcontroller. Questi dispositivi presentano tempi di conversione rapidi (10μs), ma l'interfaccia seriale ne limita il throughput a 8kbps.
Ad esempio, il MAX197 accetta ingressi da 0 V a 10 V, da 0 V a 5 V, ±5 V e ±10 V. L'impedenza della sorgente che guida questi ingressi è una preoccupazione primaria per gli utenti. Durante il campionamento, l'ADC genera un impulso di corrente per caricare il suo condensatore T/H (il condensatore MSB per i DAC capacitivi). Pertanto, è necessario un amplificatore operazionale a stabilizzazione rapida-con una velocità di risposta sufficiente per garantire un'adeguata stabilizzazione della tensione durante l'acquisizione. Gli amplificatori operazionali MXL1013/MXL1014 funzionano bene nel raggiungere velocità di campionamento elevate. Per amplificatori operazionali più lenti il tempo di acquisizione deve essere prolungato.
Gli ingressi differenziali utilizzati in molti sistemi di automazione sono relativamente insensibili alle interferenze di modo comune-. Nella maggior parte dei casi è sufficiente un semplice circuito amplificatore differenziale (Figura 3) con impedenza di ingresso superiore a 1 MΩ. (Per un'impedenza di ingresso maggiore, utilizzare un amplificatore per strumentazione standard da 3-op-amp.) L'uscita mostrata nella Figura 3 è
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Per un rifiuto di modo comune- elevato, impostare R1=R3 e R2=R4. Il guadagno della combinazione mostrata è 0,876, estendendo l'intervallo di ingresso di ±10 V di circa il 114% per misurare segnali oltre l'intervallo. Questa regolazione riduce la risoluzione della banda ±10 V a circa 11,8 bit.
Figura 3. Un semplice amplificatore differenziale fornisce un'elevata impedenza di ingresso e un'uscita single-ended.
Circuito di corrente da 20 mA
I circuiti di corrente trasmettono piccoli segnali su lunghe distanze in ambienti rumorosi. La corrente viene generalmente generata da un trasmettitore da processo, che converte variabili quali temperatura o pressione in una corrente continua nell'intervallo da 0 mA a 20 mA o da 4 mA a 20 mA. La corrente scorre quindi attraverso un resistore di shunt, creando una caduta di tensione proporzionale che può essere facilmente digitalizzata. Poiché la tensione conforme disponibile per pilotare il circuito-compresa la resistenza del filo-raramente supera i 15 V-18 V, il valore del resistore è limitato a poche centinaia di ohm (Figura 4).
Figura 4. Combinando l'amplificatore mostrato in Figura 3 con il segnale del loop di corrente derivato dal resistore di shunt da 220 Ω si produce una comoda uscita single-ended.Questo circuito presenta lo stesso amplificatore differenziale del circuito di condizionamento ±10 V, insieme a un resistore di shunt da 220 Ω. Questo resistore presenta una caduta di tensione di 4,20 V a 4 mA e 5,25 V a 5 mA. Il guadagno dell'amplificatore differenziale viene regolato all'ingresso dell'ADC su un massimo di 4,62 V. Pertanto, un DAS programmato per un ingresso da 0,5 V può digitalizzare questo segnale con una risoluzione massima di 11,8 bit.
Poiché MAX198/MAX199 e MAX128 hanno il range di ingresso più piccolo di questa serie, funzionano con un piccolo resistore di shunt senza richiedere la regolazione del guadagno. Ciò li rende più adatti per misurazioni da 10 mA in sistemi che non richiedono altre misurazioni di alto-livello (fino a ±20 V). Per adattare il circuito mostrato nella Figura 4 per l'uso con il MAX199, configurare il MAX199 per un intervallo di ingresso da 0 a 2 V e modificare il resistore da 536 kΩ a 470 kΩ. Utilizza un resistore di shunt da 86Ω.
Adattamento del sensore
Termocoppie, estensimetri e altri sensori comuni forniscono segnali non lineari di basso livello-sensibili alle EMI. Pertanto, prima di inviare queste informazioni al sistema di controllo, un trasmettitore 4-20mA linearizza e condiziona il segnale. Per applicazioni di misurazione della temperatura meno critiche, i rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) possono misurare temperature fino a 850 gradi su lunghe distanze senza richiedere costosi condizionamenti del segnale.
L'RTD più popolare è il sensore di temperatura al platino standardizzato noto come PT100, caratterizzato da una resistenza di 0 Ω a 100 gradi e un coefficiente di temperatura lineare di 0,38 Ω/grado. Presenta anche un coefficiente di temperatura non lineare più piccolo, rendendo la sua caratteristica Ω/grado quasi lineare in un intervallo ristretto. A differenza delle termocoppie, dove la tensione in uscita rappresenta la differenza di temperatura tra due punti, la resistenza dell'RTD rappresenta direttamente la temperatura assoluta del sensore.
La misurazione si ottiene facendo passare una corrente da 1 mA a 2 mA attraverso il sensore e misurando la caduta di tensione sui suoi terminali. Correnti più elevate introducono errori di misurazione dovuti all'auto-riscaldamento causato dalla maggiore dissipazione di potenza all'interno del sensore. Un riferimento interno di 4,096 V semplifica la generazione della corrente di eccitazione del sensore (Figura 5).
Figura 5. Questo circuito fornisce corrente al sensore RTD e digitalizza l'output risultante.
Per evitare che la resistenza del filo influisca sulla precisione della misurazione, quattro fili indipendenti collegano l'RTD all'amplificatore differenziale. Poiché i cavi di rilevamento si collegano all'ingresso ad alta-impedenza dell'amplificatore, la loro corrente è molto bassa, con conseguente caduta di tensione trascurabile. La tensione di riferimento da 4096 mV e il resistore di feedback da 3,3 kΩ impostano la corrente di eccitazione a circa 4096 mV/3,3 kΩ=1.24mA. Di conseguenza, pilotare sia l'ADC che la sorgente di corrente con la stessa tensione di riferimento consente una misurazione del rapporto in cui la deriva della tensione di riferimento non influisce sul risultato della conversione.
Configurare il MAX197 per un intervallo di ingresso da 0 V a 5 V e impostare il guadagno dell'amplificatore differenziale su 10 per misurare valori di resistenza fino a 400 Ω, che rappresentano circa 800 gradi. Il microprocessore può linearizzare il segnale del sensore utilizzando una tabella di ricerca. Per calibrare il sistema, sostituire l'RTD con due resistori di precisione (100 Ω che rappresentano zero, 300 Ω o più rappresentano il fondo scala) e memorizzare i risultati della conversione.
Invece di dedicare circuiti specifici a particolari intervalli di ingresso, il circuito mostrato nella Figura 6 adatta l'ingresso dell'ADC per accogliere qualsiasi intervallo di segnale descritto in precedenza. La selezione del pin di ingresso e dell'intervallo di ingresso dell'ADC (Tabella 1) consente di scegliere la configurazione appropriata.
Figura 6. Questo circuito di ingresso universale adatta l'ADC all'intervallo del segnale su ciascun canale di ingresso.