Sistem kendali industri terus mengandalkan sinyal analog standar untuk mengirimkan data antara peralatan proses dan kendali. Sinyal loop arus 4 hingga 20mA yang stabil dapat dengan mudah melintasi ribuan kaki, sementara sinyal ±5 dan ±10V juga merupakan hal yang lumrah dalam sistem industri.
Catatan aplikasi ini menampilkan solusi sistem akuisisi data (DAS) terintegrasi dari Maxim. Solusi DAS Maxim menghemat ruang papan, konsumsi daya, dan waktu desain sekaligus mengkonversi sinyal analog industri standar dengan komponen eksternal minimal.
Perkenalan
Meskipun terdapat banyak versi fieldbus digital, sistem kendali industri terus mengandalkan sinyal analog standar untuk mengirimkan data antara peralatan proses dan kendali. Misalnya, pemancar proses di pabrik kimia mengubah-sinyal suhu dan tekanan tingkat rendah menjadi sinyal loop arus stabil 4 hingga 20mA yang dapat dengan mudah menempuh jarak ribuan kaki.
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 bila digerakkan oleh sumber arus 100mA).
Fungsi kontrol dalam lingkungan proses diimplementasikan oleh PLC (Programmable Logic Controllers), PCS (Process Control Systems), atau (yang lebih baru) IPC (Industrial Personal Computers). Karena perangkat ini adalah sistem digital yang menjalankan perangkat lunak khusus proses-, semua sinyal analog harus dikonversi ke digital sebelum komputer dapat membacanya.
Konversi A/D dalam sistem kontrol dilakukan oleh papan atau kotak yang disebut "periferal analog". Ini terhubung ke CPU melalui backplane bus atau fieldbus sistem ketika dipasang dari jarak jauh (misalnya, pada mesin). Selain sirkuit digital (untuk komunikasi CPU), periferal ini menggabungkan berbagai komponen sinyal analog dan{4}}campuran yang presisi. Kebutuhan akan lebih banyak saluran per papan atau paket yang lebih kecil (untuk pemasangan mesin) menyebabkan keterbatasan ruang dan daya, sehingga menghadirkan tantangan desain utama untuk periferal analog. Rangkaian berikut mengilustrasikan teknik pengkondisian sinyal dan menjelaskan metode digitalisasi hingga delapan saluran menggunakan satu chip.
Sistem Akuisisi Data
Sistem akuisisi data tingkat lanjut (Gambar 1) terdiri dari multiplekser (mux) untuk beralih antar saluran masukan, sirkuit pengkondisian sinyal yang menyediakan penyesuaian penguatan dan offset untuk rentang masukan yang berbeda, dan konverter analog-ke-digital (ADC) dengan tegangan referensi (VREF).
Gambar 1. Diagram ini menggambarkan komponen dasar sistem akuisisi data.
Solusi DAS Terintegrasi
Dengan mengintegrasikan modul dasar yang ditunjukkan pada Gambar 1, Maxim telah mengembangkan serangkaian sistem akuisisi data-chip tunggal yang menghemat ruang, konsumsi daya, dan waktu desain. Chip ini memerlukan komponen eksternal minimal (dalam beberapa kasus tidak ada) dan dapat mengkonversi sebagian besar sinyal standar yang sedang digunakan. Setiap perangkat dilengkapi ADC 12-bit, multiplekser, dan koreksi penguatan/offset, yang menampilkan antarmuka digital serial atau paralel untuk kemudahan koneksi ke sebagian besar mikroprosesor.
Diagram blok berikut (Gambar 2) mengilustrasikan konfigurasi tipikal untuk rangkaian ini. Perbedaan utama terletak pada bagian digital yang terhubung ke mikroprosesor. Setiap chip menyediakan 16 atau 5 saluran masukan analog-berakhir tunggal yang terhubung ke ADC internal melalui multiplekser-yang dilindungi kesalahan. Saluran apa pun dapat menahan tegangan input hingga<>.<>V, dan kesalahan pada saluran mana pun tidak mempengaruhi konversi pada saluran lainnya.
Gambar 2. Fungsi yang ditunjukkan pada Gambar 1 diintegrasikan ke dalam chip ini.
Setiap saluran dapat diprogram secara independen untuk rentang input standar (0 hingga 5V, 0 hingga 10V, ±5V, atau ±10V) sambil ditenagai oleh pasokan 5V tunggal. Perangkat lain memiliki struktur penguatan serupa tetapi menerima rentang masukan berbeda: 2V atau 4V unipolar atau bipolar, atau VREF atau -VREF unipolar atau bipolar. Kemampuan variasi penguatan 100x dengan offset input 10% (dari -10V hingga +2V) memperluas rentang dinamis sebesar 14 bit, sehingga menghasilkan sistem dengan<>-rentang dinamis bit.
ADC internal adalah jenis pendekatan berturut-turut 12-bit berdasarkan DAC kapasitif, di mana kapasitansi MSB juga berfungsi sebagai kapasitor penahan dalam rangkaian sampel/tahan. Setiap perangkat dapat beroperasi menggunakan osilator internal atau jam eksternal.
Perangkat MAX196 hingga MAX199 memanfaatkan pulsa /WR untuk memulai dan menghentikan akuisisi, memberikan waktu akuisisi yang relatif lama dalam "mode akuisisi eksternal" tanpa memperlambat kecepatan konversi. Penundaan apertur pendek dan jitter apertur rendah pada perangkat (<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.
Antarmuka Digital
Aplikasi yang memerlukan{0}}pengukuran kecepatan tinggi paling baik dilayani oleh antarmuka data paralel (MAX196 hingga MAX199). Perangkat ini mencapai throughput 2Ksps pada kecepatan jam 100MHz, cukup untuk sebagian besar-loop kontrol kecepatan tinggi. Untuk aplikasi berkecepatan-lebih rendah, tersedia versi antarmuka yang kompatibel dengan I²C-yang menghemat ruang papan dan menyederhanakan komunikasi antara DAS dan mikrokontroler. Perangkat ini memiliki waktu konversi yang cepat (10μs), tetapi antarmuka serial membatasi throughputnya hingga 8kbps.
Misalnya, MAX197 menerima input 0V hingga 10V, 0V hingga 5V, ±5V, dan ±10V. Impedansi sumber yang mendorong masukan ini merupakan perhatian utama bagi pengguna. Selama pengambilan sampel, ADC menarik pulsa arus untuk mengisi kapasitor T/H (kapasitor MSB untuk DAC kapasitif). Oleh karena itu, diperlukan penguat operasional yang memiliki penyelesaian cepat dengan laju perubahan tegangan yang memadai untuk memastikan penyelesaian tegangan yang memadai selama akuisisi. Amplifier operasional MXL1013/MXL1014 bekerja dengan baik dalam mencapai tingkat pengambilan sampel yang cepat. Untuk penguat operasional yang lebih lambat, waktu akuisisi harus diperpanjang.
Masukan diferensial yang digunakan di banyak sistem otomasi relatif tidak sensitif terhadap gangguan-mode umum. Dalam kebanyakan kasus, rangkaian penguat diferensial sederhana (Gambar 3) dengan impedansi masukan melebihi 1MΩ sudah cukup. (Untuk impedansi masukan yang lebih tinggi, gunakan penguat instrumentasi op-amp 3-standar.) Output yang ditunjukkan pada Gambar 3 adalah
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Untuk penolakan mode-umum tinggi, setel R1=R3 dan R2=R4. Gain dari kombinasi yang ditampilkan adalah 0,876, memperluas rentang input ±10V sekitar 114% untuk mengukur sinyal di luar rentang tersebut. Penyesuaian ini mengurangi resolusi pita ±10V menjadi sekitar 11,8 bit.
Gambar 3. Penguat diferensial sederhana memberikan impedansi masukan tinggi dan keluaran berakhiran tunggal.
Lingkaran Arus 20mA
Loop arus mengirimkan sinyal kecil dalam jarak jauh di lingkungan yang bising. Arus biasanya dihasilkan oleh pemancar proses, yang mengubah variabel seperti suhu atau tekanan menjadi arus searah dalam kisaran 0mA hingga 20mA atau 4mA hingga 20mA. Arus kemudian mengalir melalui resistor shunt, menciptakan penurunan tegangan proporsional yang mudah didigitalkan. Karena tegangan sesuai yang tersedia untuk menggerakkan loop-termasuk resistansi kawat-jarang melebihi 15V hingga 18V, nilai resistor dibatasi hingga beberapa ratus ohm (Gambar 4).
Gambar 4. Menggabungkan penguat yang ditunjukkan pada Gambar 3 dengan sinyal loop arus yang berasal dari resistor shunt 220Ω menghasilkan keluaran berakhir tunggal yang mudah digunakan.Rangkaian ini dilengkapi penguat diferensial yang sama dengan rangkaian pengkondisian ±10V, bersama dengan resistor shunt 220Ω. Resistor ini menunjukkan penurunan tegangan 4,20V pada 4mA dan 5,25V pada 5mA. Penguatan penguat diferensial disesuaikan pada input ADC hingga maksimum 4,62V. Oleh karena itu, DAS yang diprogram untuk input 0,5V dapat mendigitalkan sinyal ini dengan resolusi maksimum 11,8 bit.
Karena MAX198/MAX199 dan MAX128 memiliki rentang input terkecil dalam seri ini, keduanya beroperasi dengan resistor shunt kecil tanpa memerlukan penyesuaian penguatan. Hal ini membuatnya lebih cocok untuk pengukuran 10mA dalam sistem yang tidak memerlukan pengukuran tingkat-tinggi lainnya (hingga ±20V). Untuk mengadaptasi rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4 untuk digunakan dengan MAX199, konfigurasikan MAX199 untuk rentang input 0 hingga 2V dan ubah resistor 536kΩ menjadi 470kΩ. Gunakan resistor shunt 86Ω.
Adaptasi Sensor
Termokopel, pengukur regangan, dan sensor umum lainnya memberikan-sinyal nonlinier tingkat rendah yang sensitif terhadap EMI. Oleh karena itu, sebelum mengirimkan informasi ini ke sistem kontrol, pemancar 4-20mA terlebih dahulu melakukan linierisasi dan mengkondisikan sinyal. Untuk aplikasi pengukuran suhu yang tidak terlalu kritis, detektor suhu resistansi (RTD) dapat mengukur suhu hingga 850 derajat dalam jarak jauh tanpa memerlukan pengkondisian sinyal yang mahal.
RTD yang paling populer adalah sensor suhu platinum standar yang dikenal sebagai PT100, yang memiliki ketahanan 0Ω pada 100 derajat dan koefisien suhu linier 0,38Ω/derajat. Ia juga menunjukkan koefisien suhu nonlinier yang lebih kecil, menjadikan karakteristik Ω/derajatnya hampir linier pada rentang yang sempit. Tidak seperti termokopel, dimana tegangan keluaran mewakili perbedaan suhu antara dua titik, resistansi RTD secara langsung mewakili suhu absolut sensor.
Pengukuran dicapai dengan menggerakkan arus 1mA hingga 2mA melalui sensor dan mengukur penurunan tegangan pada terminalnya. Arus yang lebih tinggi menyebabkan kesalahan pengukuran karena-pemanasan otomatis yang disebabkan oleh peningkatan disipasi daya dalam sensor. Referensi internal 4.096V menyederhanakan pembangkitan arus eksitasi sensor (Gambar 5).
Gambar 5. Rangkaian ini menyuplai arus ke sensor RTD dan mendigitalkan keluaran yang dihasilkan.
Untuk mencegah hambatan kawat mempengaruhi akurasi pengukuran, empat kabel independen menghubungkan RTD ke penguat diferensial. Karena kabel penginderaan terhubung ke masukan impedansi tinggi-penguat, arusnya sangat rendah, sehingga penurunan tegangan dapat diabaikan. Tegangan referensi 4096mV dan resistor umpan balik 3,3kΩ mengatur arus eksitasi menjadi sekitar 4096mV/3,3kΩ=1.24mA. Akibatnya, menggerakkan ADC dan sumber arus dengan tegangan referensi yang sama memungkinkan pengukuran rasio dimana penyimpangan tegangan referensi tidak mempengaruhi hasil konversi.
Konfigurasikan MAX197 untuk rentang input 0V hingga 5V dan atur penguatan penguat diferensial ke 10 untuk mengukur nilai resistansi hingga 400Ω, yang mewakili sekitar 800 derajat. Mikroprosesor dapat linierisasi sinyal sensor menggunakan tabel pencarian. Untuk mengkalibrasi sistem, ganti RTD dengan dua resistor presisi (100Ω mewakili nol, 300Ω atau lebih tinggi mewakili skala penuh) dan simpan hasil konversinya.
Daripada mendedikasikan rangkaian spesifik untuk rentang masukan tertentu, rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 6 mengadaptasi masukan ADC untuk mengakomodasi rentang sinyal apa pun yang dijelaskan sebelumnya. Memilih pin input dan rentang input ADC (Tabel 1) memungkinkan pemilihan konfigurasi yang sesuai.
Gambar 6. Rangkaian input universal ini menyesuaikan ADC dengan jangkauan sinyal pada setiap saluran input.