ระบบควบคุมอุตสาหกรรมยังคงใช้สัญญาณอะนาล็อกมาตรฐานในการส่งข้อมูลระหว่างกระบวนการและอุปกรณ์ควบคุม สัญญาณลูปกระแส 4 ถึง 20mA ที่เสถียรสามารถเคลื่อนที่ได้หลายพันฟุต ในขณะที่สัญญาณ ±5 และ ±10V ก็พบได้ทั่วไปในระบบอุตสาหกรรมเช่นกัน
เอกสารการใช้งานนี้นำเสนอโซลูชันระบบการรับข้อมูลแบบรวม (DAS) ของ Maxim โซลูชัน DAS ของ Maxim ประหยัดพื้นที่บอร์ด การใช้พลังงาน และเวลาในการออกแบบ ในขณะที่แปลงสัญญาณอะนาล็อกอุตสาหกรรมมาตรฐานด้วยส่วนประกอบภายนอกน้อยที่สุด
การแนะนำ
แม้จะมีฟิลด์บัสดิจิทัลหลายเวอร์ชัน แต่ระบบควบคุมอุตสาหกรรมยังคงใช้สัญญาณอะนาล็อกมาตรฐานในการส่งข้อมูลระหว่างกระบวนการและอุปกรณ์ควบคุม ตัวอย่างเช่น เครื่องส่งสัญญาณในโรงงานเคมีจะแปลงสัญญาณอุณหภูมิและความดันระดับต่ำ-ให้เป็นสัญญาณลูปกระแส 4 ถึง 20mA ที่เสถียร ซึ่งสามารถเดินทางได้หลายพันฟุตได้อย่างง่ายดาย
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 เมื่อขับเคลื่อนด้วยแหล่งกระแส 100mA)
ฟังก์ชันการควบคุมภายในสภาพแวดล้อมกระบวนการใช้งานโดย PLC (ตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรม), PCS (ระบบควบคุมกระบวนการ) หรือ (ล่าสุด) IPC (คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลทางอุตสาหกรรม) เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้เป็นซอฟต์แวร์เฉพาะสำหรับระบบดิจิทัลที่ทำงาน- สัญญาณแอนะล็อกทั้งหมดจึงต้องแปลงเป็นดิจิทัลก่อนคอมพิวเตอร์จึงจะสามารถอ่านได้
การแปลง A/D ภายในระบบควบคุมดำเนินการโดยบอร์ดหรือกล่องที่เรียกว่า "อุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอะนาล็อก" สิ่งเหล่านี้เชื่อมต่อกับ CPU ผ่านแบ็คเพลนบัสหรือฟิลด์บัสของระบบเมื่อติดตั้งจากระยะไกล (เช่น บนเครื่องจักร) นอกเหนือจากวงจรดิจิทัล (สำหรับการสื่อสาร CPU) อุปกรณ์ต่อพ่วงเหล่านี้ยังรวมส่วนประกอบสัญญาณอะนาล็อกและสัญญาณผสม-ที่มีความแม่นยำต่างๆ ไว้ด้วย ความต้องการช่องสัญญาณเพิ่มเติมต่อบอร์ดหรือแพ็คเกจขนาดเล็ก (สำหรับการติดตั้งเครื่องจักร) ทำให้เกิดข้อจำกัดด้านพื้นที่และพลังงาน นำเสนอความท้าทายในการออกแบบหลักสำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอะนาล็อก วงจรต่อไปนี้แสดงเทคนิคการปรับสภาพสัญญาณและอธิบายวิธีการแปลงช่องสัญญาณดิจิทัลสูงสุด 8 ช่องโดยใช้ชิปตัวเดียว
ระบบการได้มาซึ่งข้อมูล
ระบบรับข้อมูลขั้นสูง (รูปที่ 1) ประกอบด้วยมัลติเพล็กเซอร์ (mux) สำหรับการสลับระหว่างช่องอินพุต วงจรปรับสภาพสัญญาณที่ให้การปรับเกนและออฟเซ็ตสำหรับช่วงอินพุตต่างๆ และเครื่องแปลงแอนะล็อก-เป็น-ดิจิทัล (ADC) พร้อมแรงดันอ้างอิง (VREF)
รูปที่ 1 แผนภาพนี้แสดงส่วนประกอบพื้นฐานของระบบการรับข้อมูล
โซลูชั่น DAS แบบบูรณาการ
ด้วยการบูรณาการโมดูลพื้นฐานที่แสดงในรูปที่ 1 ทำให้ Maxim ได้พัฒนาชุดระบบการรับข้อมูลแบบชิปเดี่ยว- ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่บอร์ด การใช้พลังงาน และเวลาในการออกแบบ ชิปเหล่านี้ต้องการส่วนประกอบภายนอกเพียงเล็กน้อย (ในบางกรณีไม่มีเลย) และสามารถแปลงสัญญาณมาตรฐานส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันได้ อุปกรณ์แต่ละตัวประกอบด้วย ADC 12 บิต, มัลติเพล็กเซอร์ และการแก้ไขเกน/ออฟเซ็ต โดยมีอินเทอร์เฟซดิจิทัลแบบอนุกรมหรือขนานเพื่อการเชื่อมต่อกับไมโครโปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดาย
แผนภาพบล็อกต่อไปนี้ (รูปที่ 2) แสดงให้เห็นการกำหนดค่าทั่วไปสำหรับซีรี่ส์นี้ ความแตกต่างหลักอยู่ที่ส่วนดิจิทัลที่เชื่อมต่อกับไมโครโปรเซสเซอร์ ชิปแต่ละตัวมีช่องอินพุตอะนาล็อก-ปลายเดี่ยว 16 หรือ 5 ช่องที่เชื่อมต่อกับ ADC ภายในผ่านมัลติเพล็กเซอร์ที่มีการป้องกันข้อผิดพลาด- ทุกช่องสามารถทนแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้สูงสุด<>.<>V และข้อบกพร่องในช่องใด ๆ จะไม่ส่งผลกระทบต่อการแปลงในช่องอื่น
รูปที่ 2 ฟังก์ชั่นที่แสดงในรูปที่ 1 ถูกรวมเข้ากับชิปนี้
แต่ละช่องสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างอิสระสำหรับช่วงอินพุตมาตรฐาน (0 ถึง 5V, 0 ถึง 10V, ±5V หรือ ±10V) ในขณะที่จ่ายไฟจากแหล่งจ่ายไฟ 5V เดียว อุปกรณ์อื่นๆ มีโครงสร้างเกนที่คล้ายกันแต่ยอมรับช่วงอินพุตที่แตกต่างกัน: ยูนิโพลาร์หรือไบโพลาร์ 2V หรือ 4V หรือยูนิโพลาร์หรือไบโพลาร์ VREF หรือ -VREF ความสามารถในการแปรผันของอัตราขยาย 100x พร้อมออฟเซ็ตอินพุต 10% (ตั้งแต่ -10V ถึง +2V) จะขยายช่วงไดนามิกขึ้น 14 บิต ส่งผลให้ระบบมี<>-ช่วงไดนามิกบิต
ADC ภายในเป็นประเภทการประมาณต่อเนื่อง 12 บิตโดยใช้ DAC แบบคาปาซิทีฟ โดยที่ความจุ MSB ยังทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุค้างในวงจรตัวอย่าง/ค้าง อุปกรณ์แต่ละชิ้นสามารถทำงานได้โดยใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในหรือนาฬิกาภายนอก
อุปกรณ์ MAX196 ถึง MAX199 ใช้พัลส์ /WR เพื่อเริ่มต้นและหยุดการรับข้อมูล ซึ่งให้เวลาการรับข้อมูลที่ค่อนข้างนานใน "โหมดการรับข้อมูลภายนอก" โดยไม่ทำให้ความเร็วในการแปลงช้าลง การหน่วงเวลารูรับแสงสั้นของอุปกรณ์และการกระวนกระวายใจของรูรับแสงต่ำ (<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.
อินเตอร์เฟซดิจิตอล
แอปพลิเคชันที่ต้องการการวัดความเร็วสูง-จะใช้อินเทอร์เฟซข้อมูลแบบขนานได้ดีที่สุด (MAX196 ถึง MAX199) อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับปริมาณงาน 2Ksps ที่อัตราสัญญาณนาฬิกา 100MHz ซึ่งเพียงพอสำหรับลูปควบคุมความเร็วสูง-ส่วนใหญ่ สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความเร็วต่ำ- อินเทอร์เฟซเวอร์ชันที่เข้ากันได้กับ I²C- ที่มีจำหน่ายจะช่วยประหยัดพื้นที่บอร์ดและลดความซับซ้อนในการสื่อสารระหว่าง DAS และไมโครคอนโทรลเลอร์ อุปกรณ์เหล่านี้มีเวลาการแปลงที่รวดเร็ว (10μs) แต่อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมจำกัดปริมาณงานไว้ที่ 8kbps
ตัวอย่างเช่น MAX197 ยอมรับอินพุต 0V ถึง 10V, 0V ถึง 5V, ±5V และ ±10V ความต้านทานของแหล่งกำเนิดที่ขับเคลื่อนอินพุตเหล่านี้ถือเป็นข้อกังวลหลักสำหรับผู้ใช้ ในระหว่างการสุ่มตัวอย่าง ADC จะดึงกระแสพัลส์เพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ T/H (ตัวเก็บประจุ MSB สำหรับ DAC แบบคาปาซิทีฟ) ดังนั้น แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานที่ตกตะกอนอย่างรวดเร็ว{10}}ด้วยอัตราการสลูว์ที่เพียงพอจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าจะตกตะกอนอย่างเพียงพอในระหว่างการได้รับสัญญาณ แอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการ MXL1013/MXL1014 ทำงานได้ดีในการบรรลุอัตราการสุ่มตัวอย่างที่รวดเร็ว สำหรับแอมพลิฟายเออร์ที่ทำงานได้ช้ากว่า จะต้องขยายเวลาการรับข้อมูลออกไป
อินพุตดิฟเฟอเรนเชียลที่ใช้ในระบบอัตโนมัติหลายระบบค่อนข้างไวต่อการรบกวนโหมด-ทั่วไป ในกรณีส่วนใหญ่ วงจรขยายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลอย่างง่าย (รูปที่ 3) ที่มีอิมพีแดนซ์อินพุตเกิน 1MΩ ก็เพียงพอแล้ว (สำหรับความต้านทานอินพุตที่สูงขึ้น ให้ใช้เครื่องขยายสัญญาณออปแอมป์มาตรฐาน 3-) เอาต์พุตที่แสดงในรูปที่ 3 คือ
โหวต=R2(V+ - V-) / R1
สำหรับการปฏิเสธโหมดร่วมสูง- ให้ตั้งค่า R1=R3 และ R2=R4 อัตราขยายของชุดค่าผสมที่แสดงคือ 0.876 ซึ่งขยายช่วงอินพุต ±10V ประมาณ 114% เพื่อวัดสัญญาณที่อยู่นอกเหนือช่วง การปรับนี้จะลดความละเอียดของแถบ ±10V เหลือประมาณ 11.8 บิต
รูปที่ 3 เครื่องขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแบบธรรมดาให้อิมพีแดนซ์อินพุตสูงและเอาต์พุตปลายเดี่ยว-
กระแสวน 20mA
ลูปกระแสไฟฟ้าจะส่งสัญญาณขนาดเล็กไปในระยะทางไกลในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง โดยทั่วไปกระแสจะถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องส่งสัญญาณกระบวนการ ซึ่งจะแปลงตัวแปรต่างๆ เช่น อุณหภูมิหรือความดันให้เป็นกระแสตรงภายในช่วง 0mA ถึง 20mA หรือ 4mA ถึง 20mA จากนั้นกระแสจะไหลผ่านตัวต้านทานแบบแบ่ง ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมตามสัดส่วนซึ่งสามารถแปลงเป็นดิจิทัลได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่เป็นไปตามข้อกำหนดที่ใช้ขับเคลื่อนลูป-รวมถึงความต้านทานของสายไฟ-มักเกิน 15V ถึง 18V ค่าตัวต้านทานจึงถูกจำกัดไว้ที่สองสามร้อยโอห์ม (รูปที่ 4)
รูปที่ 4 การรวมแอมพลิฟายเออร์ที่แสดงในรูปที่ 3 เข้ากับสัญญาณลูปปัจจุบันที่ได้มาจากตัวต้านทานสับเปลี่ยน 220Ω จะสร้างเอาต์พุตปลายเดี่ยว-ที่สะดวกวงจรนี้มีแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลแบบเดียวกับวงจรปรับสภาพ ±10V พร้อมด้วยตัวต้านทานสับเปลี่ยน 220Ω ตัวต้านทานนี้แสดงแรงดันไฟฟ้าตกที่ 4.20V ที่ 4mA และ 5.25V ที่ 5mA อัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลจะถูกปรับที่อินพุต ADC ให้เป็นค่าสูงสุด 4.62V ดังนั้น DAS ที่ตั้งโปรแกรมไว้สำหรับอินพุต 0.5V สามารถแปลงสัญญาณนี้ให้เป็นดิจิทัลด้วยความละเอียดสูงสุด 11.8 บิต
เนื่องจาก MAX198/MAX199 และ MAX128 มีช่วงอินพุตที่เล็กที่สุดในซีรีส์นี้ จึงทำงานโดยใช้ตัวต้านทานสับเปลี่ยนขนาดเล็กโดยไม่จำเป็นต้องปรับค่าเกน ทำให้เหมาะสำหรับการวัด 10mA ในระบบที่ไม่ต้องการการวัดระดับสูงอื่นๆ- (สูงถึง ±20V) หากต้องการปรับวงจรที่แสดงในรูปที่ 4 เพื่อใช้กับ MAX199 ให้กำหนดค่า MAX199 สำหรับช่วงอินพุต 0 ถึง 2V และเปลี่ยนตัวต้านทาน 536kΩ เป็น 470kΩ ใช้ตัวต้านทานสับเปลี่ยน 86Ω
การปรับเซ็นเซอร์
เทอร์โมคัปเปิล สเตรนเกจ และเซ็นเซอร์ทั่วไปอื่นๆ ให้สัญญาณไม่เชิงเส้นระดับต่ำ-ซึ่งมีความไวต่อ EMI ดังนั้น ก่อนที่จะส่งข้อมูลนี้ไปยังระบบควบคุม เครื่องส่งสัญญาณขนาด 4-20mA จะต้องทำให้เป็นเส้นตรงและกำหนดเงื่อนไขของสัญญาณก่อน สำหรับการวัดอุณหภูมิที่มีความสำคัญน้อยกว่า เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTD) สามารถวัดอุณหภูมิได้สูงถึง 850 องศาในระยะทางไกล โดยไม่ต้องใช้การปรับสัญญาณที่มีราคาแพง
RTD ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือเซ็นเซอร์อุณหภูมิแพลทินัมมาตรฐานที่เรียกว่า PT100 ซึ่งมีความต้านทาน 0Ω ที่ 100 องศา และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงเส้น 0.38Ω/ องศา นอกจากนี้ ยังแสดงค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิไม่เชิงเส้นที่น้อยกว่า ทำให้คุณลักษณะ Ω/ องศา เกือบเป็นเส้นตรงในช่วงแคบ ต่างจากเทอร์โมคัปเปิลตรงที่แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตแสดงถึงความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดสองจุด ความต้านทานของ RTD แสดงถึงอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเซ็นเซอร์โดยตรง
การวัดทำได้โดยการขับกระแส 1mA ถึง 2mA ผ่านเซ็นเซอร์ และวัดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมขั้วต่อ กระแสที่สูงขึ้นทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดเนื่องจาก-ความร้อนในตัวซึ่งเกิดจากการกระจายพลังงานที่เพิ่มขึ้นภายในเซ็นเซอร์ การอ้างอิงภายใน 4.096V ช่วยลดความยุ่งยากในการสร้างกระแสกระตุ้นเซ็นเซอร์ (รูปที่ 5)
รูปที่ 5 วงจรนี้จ่ายกระแสให้กับเซ็นเซอร์ RTD และแปลงเอาต์พุตผลลัพธ์เป็นดิจิทัล
เพื่อป้องกันไม่ให้ความต้านทานของสายไฟส่งผลต่อความแม่นยำในการวัด สายอิสระสี่เส้นจะเชื่อมต่อ RTD กับเครื่องขยายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล เนื่องจากสายตรวจจับเชื่อมต่อกับอินพุตอิมพีแดนซ์สูง-ของแอมพลิฟายเออร์ กระแสไฟฟ้าจึงต่ำมาก ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าตกเล็กน้อย แรงดันอ้างอิง 4096mV และตัวต้านทานป้อนกลับ 3.3kΩ ตั้งค่ากระแสกระตุ้นไว้ที่ประมาณ 4096mV/3.3kΩ=1.24 mA ดังนั้น การขับเคลื่อนทั้ง ADC และแหล่งกำเนิดกระแสด้วยแรงดันอ้างอิงเดียวกันทำให้สามารถวัดอัตราส่วนได้ โดยที่แรงดันอ้างอิงเบี่ยงเบนไม่ส่งผลต่อผลลัพธ์การแปลง
กำหนดค่า MAX197 สำหรับช่วงอินพุต 0V ถึง 5V และตั้งค่าเกนของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเป็น 10 เพื่อวัดค่าความต้านทานสูงถึง 400Ω ซึ่งคิดเป็นประมาณ 800 องศา ไมโครโปรเซสเซอร์สามารถทำให้สัญญาณเซ็นเซอร์เป็นเส้นตรงได้โดยใช้ตารางค้นหา ในการสอบเทียบระบบ ให้แทนที่ RTD ด้วยตัวต้านทานความแม่นยำสองตัว (100Ω แทนศูนย์, 300Ω หรือสูงกว่าแทนเต็มสเกล) และจัดเก็บผลลัพธ์การแปลง
แทนที่จะทุ่มเทวงจรเฉพาะให้กับช่วงอินพุตเฉพาะ วงจรที่แสดงในรูปที่ 6 จะปรับอินพุต ADC เพื่อรองรับช่วงสัญญาณใด ๆ ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ การเลือกพินอินพุตและช่วงอินพุต ADC (ตารางที่ 1) ช่วยให้สามารถเลือกการกำหนดค่าที่เหมาะสมได้
รูปที่ 6 วงจรอินพุตสากลนี้จะปรับ ADC ให้เข้ากับช่วงสัญญาณในแต่ละช่องสัญญาณเข้า