Các hệ thống điều khiển công nghiệp tiếp tục dựa vào tín hiệu tương tự tiêu chuẩn để truyền dữ liệu giữa quy trình và thiết bị điều khiển. Tín hiệu vòng dòng điện ổn định từ 4 đến 20mA có thể dễ dàng truyền qua hàng nghìn feet, trong khi tín hiệu ±5 và ±10V cũng phổ biến trong các hệ thống công nghiệp.
Ghi chú ứng dụng này giới thiệu các giải pháp hệ thống thu thập dữ liệu tích hợp (DAS) của Maxim. Giải pháp DAS của Maxim tiết kiệm không gian bo mạch, mức tiêu thụ điện năng và thời gian thiết kế trong khi chuyển đổi tín hiệu analog công nghiệp tiêu chuẩn với các thành phần bên ngoài tối thiểu.
Giới thiệu
Mặc dù có nhiều phiên bản bus trường kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển công nghiệp vẫn tiếp tục dựa vào tín hiệu analog tiêu chuẩn để truyền dữ liệu giữa quy trình và thiết bị điều khiển. Ví dụ: bộ truyền xử lý trong nhà máy hóa chất chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ và áp suất ở mức-thấp thành tín hiệu vòng lặp dòng điện ổn định từ 4 đến 20mA có thể dễ dàng truyền đi hàng nghìn feet.
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 khi được điều khiển bởi nguồn dòng 100mA).
Các chức năng điều khiển trong môi trường quy trình được thực hiện bởi PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), PCS (Hệ thống điều khiển quy trình) hoặc (gần đây hơn) IPC (Máy tính cá nhân công nghiệp). Vì các thiết bị này là hệ thống kỹ thuật số chạy phần mềm-cụ thể nên tất cả tín hiệu tương tự phải được chuyển đổi thành kỹ thuật số trước khi máy tính có thể đọc chúng.
Chuyển đổi A/D trong hệ thống điều khiển được thực hiện bởi các bảng hoặc hộp được gọi là "thiết bị ngoại vi tương tự". Chúng kết nối với CPU thông qua bus bảng nối đa năng hoặc bus trường của hệ thống khi được cài đặt từ xa (ví dụ: trên máy móc). Ngoài mạch kỹ thuật số (để giao tiếp CPU), các thiết bị ngoại vi này còn kết hợp nhiều thành phần tín hiệu tương tự và hỗn hợp{4}}có độ chính xác cao. Nhu cầu có nhiều kênh hơn trên mỗi bo mạch hoặc các gói nhỏ hơn (để lắp vào máy) dẫn đến hạn chế về không gian và nguồn điện, đặt ra thách thức thiết kế chính cho các thiết bị ngoại vi analog. Mạch sau đây minh họa các kỹ thuật điều hòa tín hiệu và mô tả phương pháp số hóa tối đa tám kênh bằng một chip đơn.
Hệ thống thu thập dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu nâng cao (Hình 1) bao gồm một bộ ghép kênh (mux) để chuyển đổi giữa các kênh đầu vào, một mạch điều hòa tín hiệu cung cấp khả năng điều chỉnh độ lợi và độ lệch cho các phạm vi đầu vào khác nhau và một bộ chuyển đổi tương tự -sang-kỹ thuật số (ADC) có điện áp tham chiếu (VREF).
Hình 1. Sơ đồ này minh họa các thành phần cơ bản của hệ thống thu thập dữ liệu.
Giải pháp DAS tích hợp
Bằng cách tích hợp các mô-đun cơ bản như trong Hình 1, Maxim đã phát triển một loạt hệ thống thu thập dữ liệu chip đơn{1}} giúp tiết kiệm không gian bo mạch, mức tiêu thụ điện năng và thời gian thiết kế. Những con chip này yêu cầu tối thiểu các thành phần bên ngoài (không có trong một số trường hợp) và có thể chuyển đổi hầu hết các tín hiệu tiêu chuẩn hiện đang được sử dụng. Mỗi thiết bị kết hợp một ADC 12-bit, bộ ghép kênh và hiệu chỉnh khuếch đại/bù, có giao diện kỹ thuật số nối tiếp hoặc song song để dễ dàng kết nối với hầu hết các bộ vi xử lý.
Sơ đồ khối sau đây (Hình 2) minh họa cấu hình điển hình cho loạt sản phẩm này. Sự khác biệt chính nằm ở phần kỹ thuật số được kết nối với bộ vi xử lý. Mỗi chip cung cấp 16 hoặc 5 kênh đầu vào tương tự-một đầu được kết nối với ADC bên trong thông qua bộ ghép kênh được bảo vệ-lỗi. Bất kỳ kênh nào cũng có thể chịu được điện áp đầu vào lên tới<>.<>V và lỗi trên bất kỳ kênh nào không ảnh hưởng đến chuyển đổi trên bất kỳ kênh nào khác.
Hình 2. Các chức năng hiển thị trong Hình 1 được tích hợp vào con chip này.
Mỗi kênh có thể được lập trình độc lập cho phạm vi đầu vào tiêu chuẩn (0 đến 5V, 0 đến 10V, ±5V hoặc ±10V) trong khi được cấp nguồn bằng một nguồn 5V duy nhất. Các thiết bị khác có cấu trúc khuếch đại tương tự nhưng chấp nhận các phạm vi đầu vào khác nhau: 2V hoặc 4V đơn cực hoặc lưỡng cực hoặc VREF đơn cực hoặc lưỡng cực hoặc -VREF. Khả năng biến đổi mức tăng 100 lần với độ lệch đầu vào 10% (từ -10V đến +2V) mở rộng phạm vi động thêm 14 bit, dẫn đến các hệ thống có<>-dải động bit.
ADC bên trong là loại xấp xỉ liên tiếp 12 bit dựa trên DAC điện dung, trong đó điện dung MSB cũng có chức năng như tụ điện giữ trong mạch lấy mẫu/giữ. Mỗi thiết bị có thể hoạt động bằng bộ dao động bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài.
Các thiết bị MAX196 đến MAX199 sử dụng các xung /WR để bắt đầu và dừng thu thập, cung cấp thời gian thu thập tương đối dài ở "chế độ thu thập bên ngoài" mà không làm chậm tốc độ chuyển đổi. Độ trễ khẩu độ ngắn và độ giật khẩu độ thấp của thiết bị (<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.
Giao diện kỹ thuật số
Các ứng dụng yêu cầu đo tốc độ-cao được phục vụ tốt nhất bằng giao diện dữ liệu song song (MAX196 đến MAX199). Các thiết bị này đạt thông lượng 2Ksps ở tốc độ xung nhịp 100 MHz, đủ cho hầu hết các vòng điều khiển tốc độ cao-. Đối với các ứng dụng có tốc độ-thấp hơn, các phiên bản giao diện tương thích I2C-có sẵn sẽ tiết kiệm dung lượng bo mạch và đơn giản hóa hoạt động giao tiếp giữa DAS và bộ vi điều khiển. Các thiết bị này có thời gian chuyển đổi nhanh (10μs), nhưng giao diện nối tiếp giới hạn thông lượng của chúng ở mức 8kbps.
Ví dụ: MAX197 chấp nhận đầu vào 0V đến 10V, 0V đến 5V, ±5V và ±10V. Trở kháng nguồn điều khiển các đầu vào này là mối quan tâm hàng đầu của người dùng. Trong quá trình lấy mẫu, ADC rút ra một xung dòng điện để sạc tụ điện T/H của nó (tụ điện MSB cho DAC điện dung). Do đó, cần có một bộ khuếch đại hoạt động ổn định nhanh với tốc độ xoay vừa đủ để đảm bảo ổn định điện áp phù hợp trong quá trình thu thập. Bộ khuếch đại hoạt động MXL1013/MXL1014 hoạt động tốt trong việc đạt được tốc độ lấy mẫu nhanh. Đối với các bộ khuếch đại hoạt động chậm hơn, thời gian thu nhận phải được kéo dài.
Đầu vào vi sai được sử dụng trong nhiều hệ thống tự động hóa tương đối không nhạy cảm với nhiễu-chế độ chung. Trong hầu hết các trường hợp, một mạch khuếch đại vi sai đơn giản (Hình 3) có trở kháng đầu vào vượt quá 1MΩ là đủ. (Để có trở kháng đầu vào cao hơn, hãy sử dụng bộ khuếch đại thiết bị đo đạc 3-op-amp tiêu chuẩn.) Đầu ra hiển thị trong Hình 3 là
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Để từ chối chế độ-phổ biến cao, hãy đặt R1=R3 và R2=R4. Mức tăng của kết hợp được hiển thị là 0,876, mở rộng phạm vi đầu vào ±10V thêm khoảng 114% để đo các tín hiệu ngoài phạm vi. Việc điều chỉnh này làm giảm độ phân giải của dải ±10V xuống khoảng 11,8 bit.
Hình 3. Bộ khuếch đại vi sai đơn giản cung cấp trở kháng đầu vào cao và đầu ra-một đầu ra.
Vòng lặp hiện tại 20mA
Các vòng dòng điện truyền tín hiệu nhỏ trên khoảng cách xa trong môi trường ồn ào. Dòng điện thường được tạo ra bởi một bộ truyền quá trình, nó chuyển đổi các biến như nhiệt độ hoặc áp suất thành dòng điện một chiều trong phạm vi 0mA đến 20mA hoặc 4mA đến 20mA. Dòng điện sau đó chạy qua một điện trở shunt, tạo ra sự sụt giảm điện áp tỷ lệ thuận và dễ dàng số hóa. Vì điện áp tuân thủ có sẵn để điều khiển vòng lặp-bao gồm cả điện trở dây-hiếm khi vượt quá 15V đến 18V nên giá trị điện trở được giới hạn ở vài trăm ohm (Hình 4).
Hình 4. Việc kết hợp bộ khuếch đại trong Hình 3 với tín hiệu vòng lặp hiện tại lấy từ điện trở shunt 220Ω sẽ tạo ra một đầu ra-một đầu thuận tiện.Mạch này có bộ khuếch đại vi sai giống như mạch điều hòa ±10V, cùng với điện trở shunt 220Ω. Điện trở này thể hiện sự sụt giảm điện áp 4,20V ở 4mA và 5,25V ở 5mA. Độ lợi của bộ khuếch đại vi sai được điều chỉnh ở đầu vào ADC ở mức tối đa 4,62V. Do đó, DAS được lập trình cho đầu vào 0,5V có thể số hóa tín hiệu này với độ phân giải tối đa 11,8 bit.
Vì MAX198/MAX199 và MAX128 có dải đầu vào nhỏ nhất trong dòng này nên chúng hoạt động với điện trở shunt nhỏ mà không cần điều chỉnh độ lợi. Điều này làm cho chúng phù hợp hơn với các phép đo 10mA trong các hệ thống không yêu cầu các phép đo mức cao-khác (lên đến ±20V). Để điều chỉnh mạch như trong Hình 4 để sử dụng với MAX199, hãy định cấu hình MAX199 cho phạm vi đầu vào từ 0 đến 2V và thay đổi điện trở 536kΩ thành 470kΩ. Sử dụng điện trở shunt 86Ω.
Thích ứng cảm biến
Cặp nhiệt điện, máy đo biến dạng và các cảm biến thông thường khác cung cấp tín hiệu phi tuyến-ở mức độ thấp, nhạy cảm với EMI. Do đó, trước khi gửi thông tin này đến hệ thống điều khiển, bộ phát 4-20mA trước tiên sẽ tuyến tính hóa và điều chỉnh tín hiệu. Đối với các ứng dụng đo nhiệt độ ít quan trọng hơn, máy dò nhiệt độ điện trở (RTD) có thể đo nhiệt độ lên tới 850 độ trong khoảng cách xa mà không yêu cầu điều chỉnh tín hiệu đắt tiền.
RTD phổ biến nhất là cảm biến nhiệt độ bạch kim tiêu chuẩn được gọi là PT100, có điện trở 0Ω ở 100 độ và hệ số nhiệt độ tuyến tính là 0,38Ω/độ. Nó cũng thể hiện hệ số nhiệt độ phi tuyến nhỏ hơn, làm cho đặc tính Ω/độ của nó gần như tuyến tính trong một phạm vi hẹp. Không giống như cặp nhiệt điện, trong đó điện áp đầu ra biểu thị chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm, điện trở của RTD biểu thị trực tiếp nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến.
Phép đo đạt được bằng cách truyền dòng điện 1mA đến 2mA qua cảm biến và đo độ sụt áp trên các cực của nó. Dòng điện cao hơn gây ra sai số đo do hiện tượng tự -làm nóng do mức tiêu tán năng lượng bên trong cảm biến tăng lên. Tham chiếu 4.096V bên trong giúp đơn giản hóa việc tạo ra dòng điện kích thích cảm biến (Hình 5).
Hình 5. Mạch này cung cấp dòng điện cho cảm biến RTD và số hóa đầu ra thu được.
Để tránh điện trở dây ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, bốn dây độc lập kết nối RTD với bộ khuếch đại vi sai. Vì dây cảm biến kết nối với đầu vào có trở kháng-cao của bộ khuếch đại nên dòng điện của chúng rất thấp, dẫn đến sụt áp không đáng kể. Điện áp tham chiếu 4096mV và điện trở phản hồi 3,3kΩ đặt dòng điện kích thích ở khoảng 4096mV/3,3kΩ=1.24mA. Do đó, việc điều khiển cả ADC và nguồn dòng điện có cùng điện áp tham chiếu sẽ cho phép đo tỷ số trong đó độ lệch điện áp tham chiếu không ảnh hưởng đến kết quả chuyển đổi.
Định cấu hình MAX197 cho phạm vi đầu vào 0V đến 5V và đặt mức khuếch đại vi sai thành 10 để đo các giá trị điện trở lên tới 400Ω, biểu thị khoảng 800 độ. Bộ vi xử lý có thể tuyến tính hóa tín hiệu cảm biến bằng bảng tra cứu. Để hiệu chỉnh hệ thống, thay thế RTD bằng hai điện trở chính xác (100Ω biểu thị số 0, 300Ω hoặc cao hơn biểu thị toàn thang đo) và lưu trữ kết quả chuyển đổi.
Thay vì dành riêng các mạch cụ thể cho phạm vi đầu vào cụ thể, mạch hiển thị trong Hình 6 điều chỉnh đầu vào ADC để phù hợp với bất kỳ phạm vi tín hiệu nào được mô tả trước đó. Việc chọn chân đầu vào và phạm vi đầu vào ADC (Bảng 1) cho phép chọn cấu hình phù hợp.
Hình 6. Mạch đầu vào phổ quát này điều chỉnh ADC phù hợp với phạm vi tín hiệu trên mỗi kênh đầu vào.