工業(yè)自動化系統(tǒng)中的模擬信號數(shù)據(jù)采集

工業(yè)控制系統(tǒng)繼續(xù)采用標(biāo)準(zhǔn)模擬信號在過程和控制設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。穩(wěn)定的4至20mA電流環(huán)路信號可輕松傳輸數(shù)千英尺，±5和±10V信號在工業(yè)系統(tǒng)中也很常見。

本應(yīng)用筆記展示了Maxim的集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）解決方案。Maxim的DAS解決方案可節(jié)省電路板空間、功耗和設(shè)計(jì)時間，同時只需極少的外部元件即可轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模擬信號。

介紹

盡管數(shù)字現(xiàn)場總線有多種版本，但工業(yè)控制系統(tǒng)繼續(xù)使用標(biāo)準(zhǔn)模擬信號在過程和控制設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。例如，化工廠中的過程變送器將低電平溫度和壓力信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的4至20mA電流環(huán)路信號，這些信號可輕松傳輸數(shù)千英尺。

工廠自動化環(huán)境中用于機(jī)床和自動搬運(yùn)機(jī)的速度和位置傳感器產(chǎn)生單極性和雙極性電壓信號，通常為0V至5V、0V至10V、±5V或±10V。此外，來自常用的PT100溫度檢測元件的信號通常無需轉(zhuǎn)換即可直接使用至標(biāo)準(zhǔn)范圍，例如10V或20mA。作為由鉑（Pt）制成的RTD（電阻式熱器件），PT100在100°C時的電阻為0Ω。 其電阻與溫度特性呈線性關(guān)系，并提供相當(dāng)高的輸出信號電平（由100mA電流源驅(qū)動時為>1mV）。

過程環(huán)境中的控制功能由PLC（可編程邏輯控制器），PCS（過程控制系統(tǒng)）或（最近）由IPC（工業(yè)個人計(jì)算機(jī)）實(shí)現(xiàn)。由于這些設(shè)備是使用過程特定軟件運(yùn)行的數(shù)字系統(tǒng)，因此所有模擬信號都必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后計(jì)算機(jī)才能讀取它們。

控制系統(tǒng)中的 A/D 轉(zhuǎn)換由稱為“模擬外設(shè)”的板或盒子執(zhí)行。它們通過系統(tǒng)的背板總線或現(xiàn)場總線（如果遠(yuǎn)程安裝（例如在機(jī)器上）連接到CPU。除了數(shù)字電路（用于與CPU通信）外，這些外圍單元還包括各種精密模擬和混合信號組件。每塊電路板需要更多通道或更小的封裝（安裝在機(jī)器上）會導(dǎo)致空間和功率短缺，這構(gòu)成了設(shè)計(jì)模擬外設(shè)的主要挑戰(zhàn)。以下電路介紹了信號調(diào)理技術(shù)，并描述了一種使用單個芯片對多達(dá)8個通道進(jìn)行數(shù)字化的方法。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖 1）包括一個用于在輸入通道之間切換的多路復(fù)用器 （mux）、一個為不同輸入范圍提供增益和失調(diào)調(diào)整的信號調(diào)理電路，以及一個帶基準(zhǔn)電壓 （VREF） 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。

圖1.此圖顯示了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的基本組件。

集成式 DAS 解決方案

通過集成圖1所示的基本模塊，Maxim開發(fā)出一系列單芯片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可節(jié)省電路板空間、功耗和設(shè)計(jì)時間。這些芯片只需要很少的外部元件（在某些情況下不需要），可以轉(zhuǎn)換當(dāng)前使用的大部分標(biāo)準(zhǔn)信號。每個器件均包括一個 12 位 ADC、多路復(fù)用器和增益/失調(diào)校正，并具有一個串行或并行數(shù)字接口，可輕松連接到大多數(shù)微處理器。

以下框圖（圖2）是該系列芯片的典型框圖。區(qū)別主要在于連接到微處理器的數(shù)字部分。每個芯片具有16個或5個單端模擬輸入通道，通過故障保護(hù)多路復(fù)用器連接到內(nèi)部ADC。任何通道都可以承受高達(dá)<>.<>V的輸入電壓，任何通道上的故障都不會影響任何其他通道上的轉(zhuǎn)換。

圖2.圖1所示的功能集成在該芯片中。

每個通道可以針對一個標(biāo)準(zhǔn)輸入范圍（0至5V、0至10V、±5V或±10V）進(jìn)行獨(dú)立編程，同時采用單5V電源供電。其他器件具有類似的增益結(jié)構(gòu)，但接受不同的輸入范圍：單極性或雙極性2V或4V，或單極性或雙極性VREF或_VREF。增益變化100倍，輸入失調(diào)10%（從-10V至+2V）的能力將動態(tài)范圍擴(kuò)大了14位，從而產(chǎn)生了具有<>位動態(tài)范圍的系統(tǒng)。

內(nèi)部ADC是基于容性DAC的12位逐次逼近型，其MSB電容兼作采樣/保持電路中的保持電容。每個器件都可以使用內(nèi)部振蕩器或外部時鐘工作。

MAX196至MAX199器件采用/WR脈沖啟動和停止采集，“外部采集模式”下可提供相對較長的采集時間，而不會減慢轉(zhuǎn)換速度。該器件的短孔徑延遲和低孔徑抖動（在外部時鐘/采集模式下為 <50ps）可實(shí)現(xiàn)采集時間的精確控制。此功能對于電力線控制和交流電機(jī)控制等相位敏感型應(yīng)用非常重要。此外，該芯片的寬帶輸入結(jié)構(gòu)提供高達(dá)5MHz的小信號帶寬，允許輸入頻率超過奈奎斯特頻率的欠采樣技術(shù)。

數(shù)字接口

需要高速測量的應(yīng)用最好使用并行數(shù)據(jù)接口（MAX196至MAX199）。這些器件在100MHz時鐘速率下可實(shí)現(xiàn)2Ksps的吞吐量，這對于大多數(shù)高速控制環(huán)路來說已經(jīng)足夠了。對于低速應(yīng)用，可用的I2C兼容接口版本可節(jié)省電路板空間并簡化DAS和微控制器之間的通信。這些器件具有快速轉(zhuǎn)換時間（10μs），但串行接口將其吞吐量限制為8kbps。

例如，MAX197接受0V至10V、0V至5V、±5V和±10V輸入。驅(qū)動這些輸入的源阻抗是用戶的主要關(guān)注點(diǎn)。采樣時，ADC吸取電流脈沖為其T/H電容（容性DAC的MSB電容）充電。因此，需要具有足夠壓擺率的快速建立運(yùn)算放大器，以確保在采集期間有足夠的電壓建立。MXL1013/MXL1014 運(yùn)算放大器在實(shí)現(xiàn)快速采樣速率方面表現(xiàn)良好。對于速度較慢的運(yùn)算放大器，必須延長采集時間。

許多自動化系統(tǒng)中使用的差分輸入對共模干擾相對不敏感。在大多數(shù)情況下，一個簡單的差分放大器電路（圖3）就足夠了，其輸入電阻超過1MΩ。（如需更高的輸入阻抗，請使用標(biāo)準(zhǔn) 3 運(yùn)放儀表放大器。圖 3 所示的輸出為

V外= R2（V+ - V-）/R1。

對于高共模抑制，使R1 = R3和R2 = R4。所示組合的增益為0.876，通過將±10V輸入范圍擴(kuò)展約114%，可以測量超出范圍的信號。這種調(diào)整將±10V頻段的分辨率降低到大約11.8位。

圖3.一個簡單的差分放大器提供高輸入阻抗和單端輸出。

20mA 電流環(huán)路

電流環(huán)路在嘈雜的環(huán)境中長距離傳輸小信號。電流通常由過程變送器產(chǎn)生，該變送器將溫度或壓力等變量轉(zhuǎn)換為0mA至20mA或4mA至20mA范圍內(nèi)的直流電流。然后，電流通過分流電阻器會產(chǎn)生易于數(shù)字化的比例壓降。由于可用于驅(qū)動環(huán)路的順從電壓（包括導(dǎo)線電阻）很少超過 15V 至 18V，因此電阻值被限制在幾百歐姆（圖 4）。

圖4.將圖3所示放大器與源自220Ω分流電阻的電流環(huán)路信號相結(jié)合，可產(chǎn)生方便的單端輸出。

該電路具有與±10V調(diào)理電路相同的差分放大器，以及一個220Ω分流電阻，該電阻在4mA時壓降4.20V，在5mA時壓降5.25V。差分放大器的增益在ADC輸入端調(diào)節(jié)至最大值4.62V，因此編程為0.5V輸入的DAS可以對該信號進(jìn)行數(shù)字化處理，最大分辨率為11.8位。

由于MAX198/MAX199和MAX128的輸入范圍在該系列中最小，因此采用小分流電阻工作，無需調(diào)整增益，因此更適合于不需要其它高電平測量（至±20V）的系統(tǒng)中的10mA測量。為了使圖4所示電路適應(yīng)MAX199的工作，請將MAX199配置為0至2V輸入范圍，并將536kΩ電阻更改為470kΩ。使用一個86Ω分流電阻。

傳感器適配

熱電偶、應(yīng)變片和其他常用傳感器提供對EMI敏感的低電平非線性信號。因此，在將此信息發(fā)送到控制系統(tǒng)之前，4至20mA的發(fā)送器首先對信號進(jìn)行線性化和調(diào)理。對于不太重要的溫度測量應(yīng)用，電阻式熱器件（RTD）可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)測量高達(dá)850°C的溫度，而無需昂貴的信號調(diào)理。

最受歡迎的RTD是稱為PT100的標(biāo)準(zhǔn)化鉑溫度傳感器，它在100°C時具有0Ω電阻和0.38Ω/°C的線性溫度系數(shù)。 它還具有更小的非線性溫度系數(shù)，因此Ω/°C特性在很窄的范圍內(nèi)幾乎是線性的。與熱電偶不同，熱電偶提供的電壓代表兩個溫度之間的差異，RTD的電阻代表該電阻的絕對溫度。

通過驅(qū)動1mA至2mA的電流通過傳感器并測量其兩端的壓降來實(shí)現(xiàn)測量。較高的電流會導(dǎo)致測量誤差，這是由于傳感器內(nèi)較高的功率耗散引起的自發(fā)熱。內(nèi)部 4.096V 基準(zhǔn)簡化了傳感器激勵電流的產(chǎn)生（圖 5）。

圖5.該電路為RTD傳感器提供電流，并將所得輸出數(shù)字化。

為了防止導(dǎo)線電阻影響測量精度，四根獨(dú)立的導(dǎo)線將RTD連接到差分放大器。由于檢測線連接到放大器的高阻抗輸入，因此它們的電流非常低，幾乎沒有壓降。4096mV 基準(zhǔn)和 3.3kΩ 反饋電阻將激勵電流設(shè)定為大約 4096mV/3.3kΩ = 1.24mA。因此，以相同的基準(zhǔn)電壓驅(qū)動ADC和電流源會產(chǎn)生比率測量，其中基準(zhǔn)電壓漂移不會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。

將MAX197配置為0V至5V輸入范圍，并將差分放大器設(shè)置為增益為10，可以測量高達(dá)400Ω的電阻值，代表約800°C。 μP可以使用查找表對傳感器信號進(jìn)行線性化。要校準(zhǔn)系統(tǒng)，請用兩個精密電阻（100Ω表示零，300Ω或更高表示全量程）替換RTD，并存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。

與其將特定電路專用于特定輸入范圍，不如使用以下電路（圖6）使ADC輸入適應(yīng)前面描述的任何信號范圍。選擇輸入引腳和ADC輸入范圍（表1）可選擇合適的配置。

圖6.該通用輸入電路使ADC適應(yīng)每個輸入通道上的信號范圍。

對于 RTD：Sns- 和 Sns+ 是四線配置上的檢測連接。將“源”引腳連接到 IS1 和 IS2。

審核編輯：郭婷