산업용 제어 시스템은 계속해서 표준 아날로그 신호를 사용하여 프로세스와 제어 장비 간에 데이터를 전송합니다. 안정적인 4~20mA 전류 루프 신호는 수천 피트까지 쉽게 이동할 수 있으며, ±5 및 ±10V 신호도 산업 시스템에서 흔히 사용됩니다.
이 애플리케이션 노트는 Maxim의 통합 데이터 수집 시스템(DAS) 솔루션을 소개합니다. Maxim의 DAS 솔루션은 최소한의 외부 부품으로 표준 산업용 아날로그 신호를 변환하는 동시에 보드 공간, 전력 소비 및 설계 시간을 절약합니다.
소개
여러 버전의 디지털 필드버스에도 불구하고 산업용 제어 시스템은 계속해서 표준 아날로그 신호를 사용하여 프로세스 장비와 제어 장비 간에 데이터를 전송합니다. 예를 들어, 화학 공장의 프로세스 트랜스미터는 낮은-온도 및 압력 신호를 수천 피트까지 쉽게 이동할 수 있는 안정적인 4~20mA 전류 루프 신호로 변환합니다.
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 (>100mA 전류 소스로 구동 시 1mV).
프로세스 환경 내의 제어 기능은 PLC(Programmable Logic Controller), PCS(Process Control Systems) 또는 (최근에는) IPC(Industrial Personal Computer)에 의해 구현됩니다. 이러한 장치는 프로세스별 소프트웨어를 실행하는 디지털 시스템이므로 모든 아날로그 신호는 컴퓨터가 읽을 수 있으려면 먼저 디지털로 변환되어야 합니다.
제어 시스템 내의 A/D 변환은 "아날로그 주변 장치"라고 불리는 보드나 상자에 의해 수행됩니다. 원격으로 설치된 경우(예: 기계에) 시스템의 백플레인 버스 또는 필드버스를 통해 CPU에 연결됩니다. 디지털 회로(CPU 통신용) 외에도 이러한 주변 장치에는 다양한 정밀 아날로그 및 혼합{4}}신호 구성 요소가 통합되어 있습니다. 보드당 더 많은 채널이 필요하거나 기계 장착을 위해 더 작은 패키지가 필요하면 공간 및 전력 제약이 발생하여 아날로그 주변 장치에 대한 주요 설계 과제가 발생합니다. 다음 회로는 신호 조절 기술을 보여주고 단일 칩을 사용하여 최대 8개 채널을 디지털화하는 방법을 설명합니다.
데이터 수집 시스템
고급 데이터 수집 시스템(그림 1)은 입력 채널 간 전환을 위한 멀티플렉서(mux), 다양한 입력 범위에 대한 이득 및 오프셋 조정을 제공하는 신호 조정 회로, 기준 전압(VREF)이 있는 아날로그{1}}-디지털 변환기(ADC)로 구성됩니다.
그림 1. 이 다이어그램은 데이터 수집 시스템의 기본 구성 요소를 보여줍니다.
통합 DAS 솔루션
그림 1에 표시된 기본 모듈을 통합함으로써 Maxim은 보드 공간, 전력 소비 및 설계 시간을 절약하는 일련의 단일{1}}칩 데이터 수집 시스템을 개발했습니다. 이 칩에는 최소한의 외부 구성 요소가 필요하며(어떤 경우에는 없음) 현재 사용 중인 대부분의 표준 신호를 변환할 수 있습니다. 각 장치에는 12비트 ADC, 멀티플렉서 및 게인/오프셋 보정이 통합되어 있으며 대부분의 마이크로프로세서에 쉽게 연결할 수 있는 직렬 또는 병렬 디지털 인터페이스가 특징입니다.
다음 제품 구성도(그림 2)는 이 시리즈의 일반적인 구성을 보여줍니다. 주요 차이점은 마이크로프로세서에 연결된 디지털 섹션에 있습니다. 각 칩은 오류 보호 멀티플렉서를 통해 내부 ADC에 연결된 16개 또는 5개의 단일{5}}아날로그 입력 채널을 제공합니다. 모든 채널은 최대 입력 전압을 견딜 수 있습니다.<>.<>V이며, 채널의 오류는 다른 채널의 변환에 영향을 미치지 않습니다.
그림 2. 그림 1에 표시된 기능이 이 칩에 통합되어 있습니다.
각 채널은 단일 5V 공급 장치로 전원을 공급받으면서 표준 입력 범위(0~5V, 0~10V, ±5V 또는 ±10V)에 대해 독립적으로 프로그래밍할 수 있습니다. 다른 장치는 비슷한 이득 구조를 가지고 있지만 단극 또는 양극 2V 또는 4V, 단극 또는 양극 VREF 또는 -VREF 등 다양한 입력 범위를 허용합니다. 10% 입력 오프셋(-10V ~ +2V)을 갖춘 100x 이득 변동 기능은 동적 범위를 14비트 확장하여 다음과 같은 시스템을 제공합니다.<>-비트 동적 범위.
내부 ADC는 용량성 DAC를 기반으로 한 12비트 연속 근사 유형으로, MSB 용량은 샘플/홀드 회로에서 홀드 커패시터 역할도 합니다. 각 장치는 내부 발진기 또는 외부 클록을 사용하여 작동할 수 있습니다.
MAX196~MAX199 장치는 /WR 펄스를 활용하여 획득을 시작 및 중지하므로 변환 속도를 늦추지 않고 "외부 획득 모드"에서 상대적으로 긴 획득 시간을 제공합니다. 장치의 짧은 조리개 지연과 낮은 조리개 지터(<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.
디지털 인터페이스
고속-측정이 필요한 애플리케이션은 병렬 데이터 인터페이스(MAX196~MAX199)를 통해 가장 잘 제공됩니다. 이러한 장치는 100MHz 클록 속도에서 2Ksps 처리량을 달성하며 이는 대부분의 고속 제어 루프에 충분합니다.- 저속-애플리케이션의 경우 사용 가능한 I²C-호환 인터페이스 버전은 보드 공간을 절약하고 DAS와 마이크로컨트롤러 간의 통신을 단순화합니다. 이 장치는 빠른 변환 시간(10μs)을 특징으로 하지만 직렬 인터페이스는 처리량을 8kbps로 제한합니다.
예를 들어 MAX197은 0V~10V, 0V~5V, ±5V, ±10V 입력을 수용합니다. 이러한 입력을 구동하는 소스 임피던스는 사용자의 주요 관심사입니다. 샘플링 중에 ADC는 T/H 커패시터(용량성 DAC의 MSB 커패시터)를 충전하기 위해 전류 펄스를 끌어옵니다. 따라서 획득 중에 적절한 전압 안정화를 보장하려면 슬루율이 충분한 빠른 안정화 연산 증폭기가 필요합니다. MXL1013/MXL1014 연산 증폭기는 빠른 샘플링 속도를 달성하는 데 탁월한 성능을 발휘합니다. 속도가 느린 연산 증폭기의 경우 획득 시간을 연장해야 합니다.
많은 자동화 시스템에 사용되는 차동 입력은 공통{0}}모드 간섭에 상대적으로 둔감합니다. 대부분의 경우 입력 임피던스가 1MΩ을 초과하는 간단한 차동 증폭기 회로(그림 3)로 충분합니다. (더 높은 입력 임피던스를 위해서는 표준 3-연산 증폭기 계측 증폭기를 사용하십시오.) 그림 3에 표시된 출력은 다음과 같습니다.
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
높은 공통-모드 거부를 위해서는 R1=R3 및 R2=R4를 설정하세요. 표시된 조합의 이득은 0.876이며, ±10V 입력 범위를 약 114% 확장하여 범위를 벗어난 신호를 측정합니다. 이 조정은 ±10V 대역의 분해능을 약 11.8비트로 줄입니다.
그림 3. 간단한 차동 증폭기는 높은 입력 임피던스와 단일{1}}출력을 제공합니다.
20mA 전류 루프
전류 루프는 시끄러운 환경에서 장거리에 걸쳐 작은 신호를 전송합니다. 전류는 일반적으로 온도나 압력과 같은 변수를 0mA~20mA 또는 4mA~20mA 범위 내의 직류로 변환하는 프로세스 트랜스미터에 의해 생성됩니다. 그런 다음 전류는 션트 저항기를 통해 흐르며 쉽게 디지털화되는 비례적인 전압 강하를 생성합니다. 루프-와이어 저항을 포함하여-를 구동하는 데 사용할 수 있는 규정 준수 전압이 15V~18V를 초과하는 경우가 거의 없으므로 저항 값은 수백 옴으로 제한됩니다(그림 4).
그림 4. 그림 3에 표시된 증폭기를 220Ω 션트 저항기에서 파생된 전류 루프 신호와 결합하면 편리한 단일{3}}종단 출력이 생성됩니다.이 회로는 220Ω 션트 저항기와 함께 ±10V 조정 회로와 동일한 차동 증폭기를 갖추고 있습니다. 이 저항은 4mA에서 4.20V, 5mA에서 5.25V의 전압 강하를 나타냅니다. 차동 증폭기의 이득은 ADC 입력에서 최대 4.62V로 조정됩니다. 따라서 0.5V 입력용으로 프로그래밍된 DAS는 이 신호를 최대 11.8비트 분해능으로 디지털화할 수 있습니다.
MAX198/MAX199 및 MAX128은 이 시리즈에서 가장 작은 입력 범위를 갖기 때문에 이득 조정 없이 작은 션트 저항기로 작동합니다. 따라서 다른 높은 수준의 측정(최대 ±20V)이 필요하지 않은 시스템의 10mA 측정에 더 적합합니다.- 그림 4의 회로를 MAX199와 함께 사용하려면 MAX199를 0~2V 입력 범위로 구성하고 536kΩ 저항을 470kΩ으로 변경하십시오. 86Ω 션트 저항기를 사용하세요.
센서 적응
열전대, 스트레인 게이지 및 기타 일반 센서는 EMI에 민감한 낮은-수준의 비선형 신호를 제공합니다. 따라서 이 정보를 제어 시스템에 보내기 전에 4~20mA 송신기가 먼저 신호를 선형화하고 조절합니다. 덜 중요한 온도 측정 애플리케이션의 경우 저항 온도 감지기(RTD)는 값비싼 신호 조절 없이 장거리에서 최대 850도까지 온도를 측정할 수 있습니다.
가장 널리 사용되는 RTD는 PT100으로 알려진 표준화된 백금 온도 센서로, 100도에서 저항이 0Ω이고 선형 온도 계수가 0.38Ω/도입니다. 또한 더 작은 비선형 온도 계수를 나타내어 Ω/도 특성이 좁은 범위에 걸쳐 거의 선형이 됩니다. 전압 출력이 두 지점 사이의 온도 차이를 나타내는 열전대와 달리 RTD의 저항은 센서의 절대 온도를 직접적으로 나타냅니다.
측정은 센서를 통해 1mA~2mA 전류를 구동하고 해당 단자의 전압 강하를 측정하여 수행됩니다. 전류가 높을수록 센서 내 전력 소모 증가로 인한 자체 발열로 인해 측정 오류가 발생합니다. 내부 4.096V 레퍼런스는 센서 여자 전류 생성을 단순화합니다(그림 5).
그림 5. 이 회로는 RTD 센서에 전류를 공급하고 결과 출력을 디지털화합니다.
와이어 저항이 측정 정확도에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 4개의 독립 와이어가 RTD를 차동 증폭기에 연결합니다. 감지 와이어는 증폭기의 높은-임피던스 입력에 연결되므로 전류가 매우 낮아 전압 강하가 미미합니다. 4096mV 기준 전압과 3.3kΩ 피드백 저항은 여기 전류를 약 4096mV/3.3kΩ=1.24mA로 설정합니다. 결과적으로 동일한 기준 전압으로 ADC와 전류 소스를 모두 구동하면 기준 전압 드리프트가 변환 결과에 영향을 주지 않는 비율 측정이 가능합니다.
MAX197을 0V ~ 5V 입력 범위로 구성하고 차동 증폭기 이득을 10으로 설정하여 약 800도를 나타내는 최대 400Ω의 저항 값을 측정합니다. 마이크로프로세서는 조회 테이블을 사용하여 센서 신호를 선형화할 수 있습니다. 시스템을 교정하려면 RTD를 두 개의 정밀 저항기(0을 나타내는 100Ω, 전체 스케일을 나타내는 300Ω 이상)로 교체하고 변환 결과를 저장하십시오.
특정 입력 범위에 특정 회로를 할당하는 대신 그림 6에 표시된 회로는 앞에서 설명한 모든 신호 범위를 수용하도록 ADC 입력을 조정합니다. 입력 핀과 ADC 입력 범위(표 1)를 선택하면 적절한 구성을 선택할 수 있습니다.
그림 6. 이 범용 입력 회로는 ADC를 각 입력 채널의 신호 범위에 맞게 조정합니다.