Les systèmes de contrôle industriels continuent de s'appuyer sur des signaux analogiques standard pour transmettre des données entre les équipements de processus et de contrôle. Les signaux stables de boucle de courant de 4 à 20 mA peuvent facilement parcourir des milliers de pieds, tandis que les signaux ±5 et ±10 V sont également courants dans les systèmes industriels.
Cette note d'application présente les solutions de système d'acquisition de données (DAS) intégré de Maxim. Les solutions DAS de Maxim permettent d'économiser de l'espace sur la carte, de la consommation d'énergie et du temps de conception tout en convertissant les signaux analogiques industriels standard avec un minimum de composants externes.
Introduction
Malgré les multiples versions de bus de terrain numériques, les systèmes de contrôle industriels continuent de s'appuyer sur des signaux analogiques standard pour transmettre les données entre les équipements de processus et de contrôle. Par exemple, les transmetteurs de processus dans les usines chimiques convertissent les signaux de température et de pression de bas niveau-en signaux de boucle de courant stables de 4 à 20 mA qui peuvent facilement parcourir des milliers de pieds.
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 lorsqu'il est piloté par une source de courant de 100 mA).
Les fonctions de contrôle au sein de l'environnement de processus sont mises en œuvre par des automates programmables (Programmable Logic Controllers), des PCS (Process Control Systems) ou (plus récemment) des IPC (Industrial Personal Computers). Étant donné que ces appareils sont des systèmes numériques exécutant un logiciel spécifique à un processus-, tous les signaux analogiques doivent être convertis en signaux numériques avant que l'ordinateur puisse les lire.
La conversion A/N au sein des systèmes de contrôle est effectuée par des cartes ou des boîtiers appelés « périphériques analogiques ». Ceux-ci se connectent au processeur via le bus de fond de panier ou le bus de terrain du système lorsqu'ils sont installés à distance (par exemple sur des machines). Au-delà des circuits numériques (pour la communication du processeur), ces périphériques intègrent divers composants de signaux analogiques et mixtes-de précision. Le besoin de plus de canaux par carte ou de boîtiers plus petits (pour le montage sur machine) entraîne des contraintes d'espace et de puissance, représentant le principal défi de conception pour les périphériques analogiques. Le circuit suivant illustre les techniques de conditionnement du signal et décrit une méthode permettant de numériser jusqu'à huit canaux à l'aide d'une seule puce.
Système d'acquisition de données
Le système d'acquisition de données avancé (Figure 1) comprend un multiplexeur (mux) pour la commutation entre les canaux d'entrée, un circuit de conditionnement de signal fournissant un réglage du gain et du décalage pour différentes plages d'entrée, et un convertisseur analogique-vers-numérique (CAN) avec une tension de référence (VREF).
Figure 1. Ce diagramme illustre les composants de base du système d'acquisition de données.
Solutions DAS intégrées
En intégrant les modules de base illustrés dans la figure 1, Maxim a développé une série de systèmes d'acquisition de données à puce unique-qui permettent d'économiser de l'espace sur la carte, de la consommation d'énergie et du temps de conception. Ces puces nécessitent un minimum de composants externes (aucun dans certains cas) et peuvent convertir la plupart des signaux standard actuellement utilisés. Chaque appareil intègre un CAN 12 bits, un multiplexeur et une correction de gain/offset, doté d'une interface numérique série ou parallèle pour une connexion facile à la plupart des microprocesseurs.
Le schéma fonctionnel suivant (Figure 2) illustre une configuration typique pour cette série. Les principales différences résident dans la section numérique connectée au microprocesseur. Chaque puce fournit 16 ou 5 canaux d'entrée analogiques asymétriques-connectés à l'ADC interne via des multiplexeurs protégés contre les pannes-. N'importe quel canal peut supporter des tensions d'entrée allant jusqu'à<>.<>V, et une erreur sur n’importe quel canal n’affecte les conversions sur aucun autre canal.
Figure 2. Les fonctions représentées sur la figure 1 sont intégrées dans cette puce.
Chaque canal peut être programmé indépendamment pour une plage d'entrée standard (0 à 5 V, 0 à 10 V, ±5 V ou ±10 V) tout en étant alimenté par une seule alimentation de 5 V. D'autres appareils présentent des structures de gain similaires mais acceptent des plages d'entrée différentes : unipolaire ou bipolaire 2 V ou 4 V, ou VREF unipolaire ou bipolaire ou -VREF. La capacité de variation de gain 100x avec un décalage d'entrée de 10 % (de -10 V à +2 V) étend la plage dynamique de 14 bits, ce qui donne des systèmes avec<>Plage dynamique de - bits.
L'ADC interne est un type d'approximation successive de 12 bits basé sur un DAC capacitif, où la capacité MSB fonctionne également comme condensateur de maintien dans le circuit échantillon/bloqueur. Chaque appareil peut fonctionner en utilisant soit l'oscillateur interne, soit une horloge externe.
Les appareils MAX196 à MAX199 utilisent des impulsions /WR pour démarrer et arrêter l'acquisition, offrant des temps d'acquisition relativement longs en « mode d'acquisition externe » sans ralentir la vitesse de conversion. Le court délai d'ouverture et la faible gigue d'ouverture de l'appareil (<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.
Interface numérique
Les applications nécessitant des mesures à grande vitesse-sont mieux servies par des interfaces de données parallèles (MAX196 à MAX199). Ces appareils atteignent un débit de 2 Ksps à des fréquences d'horloge de 100 MHz, ce qui est suffisant pour la plupart des boucles de contrôle à grande vitesse-. Pour les applications-vitesse inférieure, les versions d'interface compatibles I²C-disponibles permettent d'économiser de l'espace sur la carte et de simplifier la communication entre le DAS et les microcontrôleurs. Ces appareils présentent des temps de conversion rapides (10 μs), mais l'interface série limite leur débit à 8 kbps.
Par exemple, le MAX197 accepte les entrées de 0 V à 10 V, de 0 V à 5 V, ±5 V et ±10 V. L'impédance de la source qui pilote ces entrées est une préoccupation majeure pour les utilisateurs. Pendant l'échantillonnage, l'ADC tire une impulsion de courant pour charger son condensateur T/H (le condensateur MSB pour les DAC capacitifs). Par conséquent, un amplificateur opérationnel à stabilisation rapide avec une vitesse de balayage suffisante est nécessaire pour garantir une stabilisation de tension adéquate pendant l'acquisition. Les amplificateurs opérationnels MXL1013/MXL1014 fonctionnent bien pour atteindre des taux d'échantillonnage rapides. Pour les amplificateurs opérationnels plus lents, le temps d'acquisition doit être prolongé.
Les entrées différentielles utilisées dans de nombreux systèmes d'automatisation sont relativement insensibles aux interférences en mode commun-. Dans la plupart des cas, un simple circuit amplificateur différentiel (Figure 3) avec une impédance d'entrée supérieure à 1 MΩ suffit. (Pour une impédance d'entrée plus élevée, utilisez un amplificateur d'instrumentation standard de 3-ampli-op.) La sortie illustrée à la figure 3 est
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Pour un rejet élevé en mode commun-, définissez R1 = R3 et R2 = R4. Le gain de la combinaison présentée est de 0,876, étendant la plage d'entrée ±10 V d'environ 114 % pour mesurer les signaux au-delà de la plage. Cet ajustement réduit la résolution de la bande ±10 V à environ 11,8 bits.
Figure 3. Un amplificateur différentiel simple fournit une impédance d'entrée élevée et une sortie asymétrique-.
Boucle de courant 20 mA
Les boucles de courant transmettent de petits signaux sur de longues distances dans des environnements bruyants. Le courant est généralement généré par un transmetteur de procédé, qui convertit des variables telles que la température ou la pression en un courant continu compris entre 0 mA et 20 mA ou entre 4 mA et 20 mA. Le courant circule ensuite à travers une résistance shunt, créant une chute de tension proportionnelle facilement numérisée. Étant donné que la tension conforme disponible pour piloter la boucle-y compris la résistance du fil-dépasse rarement 15 V à 18 V, la valeur de la résistance est limitée à quelques centaines d'ohms (Figure 4).
Figure 4. La combinaison de l'amplificateur illustré à la figure 3 avec le signal de boucle de courant dérivé de la résistance shunt de 220 Ω produit une sortie asymétrique - pratique.Ce circuit comporte le même amplificateur différentiel que le circuit de conditionnement ±10 V, ainsi qu'une résistance shunt de 220 Ω. Cette résistance présente une chute de tension de 4,20 V à 4 mA et de 5,25 V à 5 mA. Le gain de l'amplificateur différentiel est ajusté à l'entrée ADC jusqu'à un maximum de 4,62 V. Par conséquent, un DAS programmé pour une entrée 0,5 V peut numériser ce signal avec une résolution maximale de 11,8 bits.
Étant donné que les MAX198/MAX199 et MAX128 ont la plus petite plage d'entrée de cette série, ils fonctionnent avec une petite résistance shunt sans nécessiter de réglage du gain. Cela les rend plus adaptés aux mesures 10 mA dans des systèmes qui ne nécessitent pas d'autres mesures de haut niveau - (jusqu'à ± 20 V). Pour adapter le circuit illustré à la figure 4 pour une utilisation avec le MAX199, configurez le MAX199 pour une plage d'entrée de 0 à 2 V et remplacez la résistance de 536 kΩ par 470 kΩ. Utilisez une résistance shunt 86Ω.
Adaptation du capteur
Les thermocouples, jauges de contrainte et autres capteurs courants fournissent des signaux non linéaires-de faible niveau sensibles aux interférences électromagnétiques. Par conséquent, avant d'envoyer ces informations au système de contrôle, un émetteur 4-20 mA linéarise et conditionne d'abord le signal. Pour les applications de mesure de température moins critiques, les détecteurs de température à résistance (RTD) peuvent mesurer des températures jusqu'à 850 degrés sur de longues distances sans nécessiter un conditionnement de signal coûteux.
Le RTD le plus populaire est le capteur de température en platine standardisé connu sous le nom de PT100, doté d'une résistance de 0 Ω à 100 degrés et d'un coefficient de température linéaire de 0,38 Ω/degré. Il présente également un coefficient de température non linéaire plus petit, ce qui rend sa caractéristique Ω/degré presque linéaire sur une plage étroite. Contrairement aux thermocouples, où la tension de sortie représente la différence de température entre deux points, la résistance du RTD représente directement la température absolue du capteur.
La mesure est réalisée en faisant passer un courant de 1 mA à 2 mA à travers le capteur et en mesurant la chute de tension à ses bornes. Des courants plus élevés introduisent des erreurs de mesure dues à l'auto-échauffement provoqué par une dissipation de puissance accrue à l'intérieur du capteur. Une référence interne de 4,096 V simplifie la génération du courant d'excitation du capteur (Figure 5).
Figure 5. Ce circuit fournit du courant au capteur RTD et numérise la sortie résultante.
Pour éviter que la résistance des fils n'affecte la précision des mesures, quatre fils indépendants connectent le RTD à l'amplificateur différentiel. Étant donné que les fils de détection se connectent à l'entrée à haute impédance-de l'amplificateur, leur courant est très faible, ce qui entraîne une chute de tension négligeable. La tension de référence de 4 096 mV et la résistance de rétroaction de 3,3 kΩ règlent le courant d'excitation à environ 4 096 mV/3,3 kΩ=1.24 mA. Par conséquent, piloter à la fois l'ADC et la source de courant avec la même tension de référence permet une mesure de rapport dans laquelle la dérive de la tension de référence n'affecte pas le résultat de la conversion.
Configurez le MAX197 pour une plage d'entrée de 0 V à 5 V et réglez le gain de l'amplificateur différentiel sur 10 pour mesurer des valeurs de résistance jusqu'à 400 Ω, ce qui représente environ 800 degrés. Le microprocesseur peut linéariser le signal du capteur à l'aide d'une table de recherche. Pour calibrer le système, remplacez le RTD par deux résistances de précision (100 Ω représentant zéro, 300 Ω ou plus représentant la pleine échelle) et stockez les résultats de conversion.
Plutôt que de consacrer des circuits spécifiques à des plages d'entrée particulières, le circuit illustré à la figure 6 adapte l'entrée ADC pour s'adapter à toute plage de signaux décrite précédemment. La sélection de la broche d'entrée et de la plage d'entrée ADC (Tableau 1) permet de choisir la configuration appropriée.
Figure 6. Ce circuit d'entrée universel adapte l'ADC à la plage de signaux sur chaque canal d'entrée.