Leanann córais rialaithe tionsclaíocha ag brath ar chomharthaí analógacha caighdeánacha chun sonraí a tharchur idir trealamh próisis agus rialaithe. Is féidir le comharthaí lúb reatha cobhsaí 4 go 20mA na mílte troigh a thrasnú go héasca, agus tá comharthaí ±5 agus ±10V coitianta freisin i gcórais thionsclaíocha.
Léiríonn an nóta feidhmchláir seo réitigh chóras fála sonraí comhtháite (DAS) Maxim. Sábhálann réitigh DAS Maxim spás boird, tomhaltas cumhachta, agus am deartha agus iad ag athrú comharthaí analógacha tionsclaíocha caighdeánacha le comhpháirteanna seachtracha íosta.
Réamhrá
In ainneoin leaganacha iolracha de bhusanna digiteacha allamuigh, leanann córais rialaithe tionsclaíocha ag brath ar chomharthaí caighdeánacha analógacha chun sonraí a tharchur idir trealamh próisis agus rialaithe. Mar shampla, déanann tarchuradóirí próisis i ngléasraí ceimiceacha teocht ísealleibhéil agus comharthaí brú a thiontú go comharthaí lúb reatha cobhsaí 4 go 20mA ar féidir leo na mílte troigh a thaisteal go héasca.
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 nuair atá sé á thiomáint ag foinse reatha 100mA).
Cuireann PLCanna (Rialaitheoirí Loighic In-In-ríomhchláraithe), PCSanna (Córais Rialaithe Próisis), nó (níos déanaí) IPCanna (Ríomhairí Pearsanta Tionscail) feidhmeanna rialaithe i dtimpeallacht an phróisis i bhfeidhm. Toisc gur bogearraí a bhaineann go sonrach le córais dhigiteacha a ritheann na gléasanna seo, ní mór gach comhartha analógach a thiontú go digiteach sular féidir leis an ríomhaire iad a léamh.
Comhshó A/D laistigh de chórais rialaithe a dhéanann boird nó boscaí ar a dtugtar "forimeallaigh analógacha." Ceanglaíonn siad seo leis an LAP trí bhus eitleáin chúl nó bus páirce nuair a bhíonn siad suiteáilte go cianda (m.sh. ar innealra). Taobh amuigh de chiorcadaíocht dhigiteach (do chumarsáid LAP), ionchorpraíonn na forimeallaigh seo comhpháirteanna éagsúla beachtas analógacha agus comharthaí measctha. Tá srianta spáis agus cumhachta mar thoradh ar an ngá atá le níos mó cainéal in aghaidh an bhoird nó pacáistí níos lú (le haghaidh gléasta meaisín), rud a chuireann an príomhdhúshlán dearaidh i láthair le haghaidh forimeallaigh analógacha. Léiríonn an ciorcad seo a leanas teicníochtaí riochtaithe comharthaí agus déanann sé cur síos ar mhodh chun suas le hocht gcainéal a dhigitiú ag baint úsáide as sliseanna amháin.
Córas Fáil Sonraí
Cuimsíonn an t-ardchóras fála sonraí (Fíor 1) ilphléacsóir (mux) chun aistriú idir cainéil ionchuir, ciorcad aeroiriúnaithe comhartha a sholáthraíonn coigeartú gnóthachain agus fritháirimh do raonta éagsúla ionchuir, agus tiontaire analógach go{-digiteach (ADC) le voltas tagartha (VREF).
Fíor 1. Léiríonn an léaráid seo comhpháirteanna bunúsacha an chórais fála sonraí.
Réitigh Comhtháite DAS
Trí na modúil bhunúsacha a léirítear i bhFíor 1 a chomhtháthú, d'fhorbair Maxim sraith de chórais aonair chun sonraí sliseanna a fháil a shábhálann spás cláir, tomhaltas cumhachta agus am dearaidh. Tá comhpháirteanna seachtracha íosta ag teastáil ó na sliseanna seo (gan aon cheann i gcásanna áirithe) agus is féidir leo an chuid is mó de na comharthaí caighdeánacha atá in úsáid faoi láthair a thiontú. Ionchorpraíonn gach feiste ADC 12-giotán, ilphléacsóir, agus ceartú gnóthachain/fritháirimh, ina bhfuil comhéadan digiteach sraitheach nó comhthreomhar le haghaidh nasc éasca le formhór na micriphróiseálaithe.
Léiríonn an blocléaráid seo a leanas (Fíor 2) cumraíocht tipiciúil don tsraith seo. Tá na príomhdhifríochtaí sa chuid dhigiteach atá ceangailte leis an microprocessor. Soláthraíonn gach sliseanna 16 nó 5 chainéal ionchuir analógach singil-deireadh atá nasctha leis an ADC inmheánach trí ilphléacsóirí cosanta lochta. Is féidir le haon chainéal voltais ionchuir a sheasamh suas go dtí<>.<>V, agus ní chuireann locht ar aon chainéal isteach ar thiontuithe ar aon chainéal eile.
Fíor 2. Tá na feidhmeanna a thaispeántar i bhFíor 1 comhtháite sa sliseanna seo.
Is féidir gach cainéal a ríomhchlárú go neamhspleách le haghaidh raon caighdeánach ionchuir (0 go 5V, 0 go 10V, ±5V, nó ±10V) agus iad á gcumhachtú ag soláthar amháin 5V. Tá struchtúir ghnóthachain comhchosúla i gceist le gléasanna eile ach glacann siad le raonta ionchuir éagsúla: 2V nó 4V aonpholach nó dépholach, nó VREF aonpholach nó dépholach nó -VREF. Méadaíonn an cumas athraithe gnóthachain 100x le fritháireamh 10% ionchuir (ó -10V go +2V) an raon dinimiciúil faoi 14 giotán, agus mar thoradh air sin tá córais le<>-raon dinimiciúil giotán.
Is cineál comhfhogasaithe comhleanúnach 12-giotán é an ADC inmheánach bunaithe ar DAC toilleas, ina bhfeidhmíonn an toilleas MSB freisin mar an toilleoir coinne sa chiorcad samplach/gabhála. Is féidir le gach feiste oibriú trí úsáid a bhaint as an oscillator inmheánach nó as clog seachtrach.
Úsáideann na gléasanna MAX196 go MAX199 bíoga /WR chun éadáil a thosú agus a stopadh, ag soláthar amanna fála réasúnta fada sa "modh fála seachtrach" gan luas an chomhshó a mhoilliú. Moill cró gairid an ghléis agus geansaí cró íseal (<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.
Comhéadan Digiteach
Is fearr a fhreastalaíonn ar fheidhmchláir óna dteastaíonn tomhais ardluais trí chomhéadain sonraí comhthreomhara (MAX196 go MAX199). Baineann na gléasanna seo amach tréchur 2Ksps ag rátaí cloig 100MHz, atá leordhóthanach do na lúba rialaithe luais is airde. I gcás feidhmchláir ar luas níos ísle, sábhálann leaganacha comhéadain I²C atá ar fáil spás cláir agus simplíonn siad cumarsáid idir DAS agus micrea-rialaitheoirí. Tá amanna comhshó tapa (10μs) ag baint leis na gléasanna seo, ach cuireann an comhéadan sraitheach teorainn lena dtréchur go 8kbps.
Mar shampla, glacann an MAX197 le hionchuir 0V go 10V, 0V go 5V, ±5V, agus ±10V. Is ábhar mór imní d’úsáideoirí an bac foinse a chuireann na hionchuir seo chun cinn. Le linn na samplála, tarraingíonn an ADC cuisle srutha chun a thoilleoir T/H a luchtú (an toilleoir MSB le haghaidh DACanna toilleas). Dá bhrí sin, tá gá le aimplitheoir oibríochta tapa a shocraíonn a dhóthain chun socrú voltais leordhóthanach a chinntiú le linn éadála. Feidhmíonn na aimplitheoirí oibriúcháin MXL1013/MXL1014 go maith maidir le rátaí samplála tapa a bhaint amach. Le haghaidh aimplitheoirí oibriúcháin níos moille, ní mór an t-am fála a leathnú.
Tá ionchuir dhifreálacha a úsáidtear i go leor córais uathoibrithe sách neamhíogair maidir le trasnaíocht mhóid choiteann. I bhformhór na gcásanna, is leor ciorcad amplifier difreálach simplí (Fíor 3) le impedance ionchuir níos mó ná 1MΩ. (Le haghaidh bacainn ionchuir níos airde, bain úsáid as aimplitheoir ionstraimíochta caighdeánach 3{-i mbarrfheabhsaithe.) Is é an t-aschur a thaispeántar i bhFíor 3 ná
Vout=R2(V+ - V-) / R1.
Chun diúltú don mhód coitianta ard, socraigh R1=R3 agus R2=R4. Is é 0.876 gnóthachan an teaglaim a thaispeántar, ag leathnú an raon ionchuir ±10V thart ar 114% chun comharthaí a thomhas thar an raon. Laghdaíonn an coigeartú seo taifeach an bhanda ±10V go thart ar 11.8 giotán.
Fíor 3. Soláthraíonn aimplitheoir difreálach simplí bacainní ionchuir ard agus aschur singil.
20mA Lúb Reatha
Tarchuireann lúba reatha comharthaí beaga thar achair fhada i dtimpeallachtaí torannacha. De ghnáth gintear an sruth ag tarchuradóir próisis, a thiontaíonn athróga cosúil le teocht nó brú go sruth díreach laistigh den raon 0mA go 20mA nó 4mA go 20mA. Sreabhann an sruth ansin trí fhriotóir shunt, rud a chruthaíonn titim voltas comhréireach atá éasca le digitiú. Ós rud é gur annamh a sháraíonn an voltas comhlíontach atá ar fáil chun an lúb a thiomáint-lena n-áirítear friotaíocht sreinge{-15V go 18V), tá luach an fhriotóra teoranta do chúpla céad óm (Fíor 4).
Fíor 4. Nuair a chomhcheanglaítear an t-aimplitheoir a thaispeántar i bhFíor 3 leis an gcomhartha lúb reatha a dhíorthaítear ón bhfriotóir shunt 220Ω, cruthaítear aschur áisiúil singil-deireadh.Tá an t-aimplitheoir difreálach céanna ag an gciorcad seo agus atá sa chiorcad aeroiriúnaithe ±10V, mar aon le friotóir shunt 220Ω. Taispeánann an friotóir seo titim voltais de 4.20V ag 4mA agus 5.25V ag 5mA. Déantar gnóthachan an aimplitheoir difreálach a choigeartú ag an ionchur ADC go dtí uasmhéid 4.62V. Mar sin, is féidir le DAS atá cláraithe le haghaidh ionchur 0.5V an comhartha seo a dhigitiú le taifeach uasta 11.8 giotán.
Toisc go bhfuil an raon ionchuir is lú sa tsraith seo ag MAX198/MAX199 agus MAX128, oibríonn siad le friotóir shunt beag gan gá le coigeartú gnóthachain. Fágann sin go bhfuil siad níos oiriúnaí do thomhais 10mA i gcórais nach dteastaíonn tomhais ardleibhéil eile uathu (suas le ±20V). Chun an ciorcad a thaispeántar i bhFíor 4 a oiriúnú le húsáid leis an MAX199, cumraigh an MAX199 le haghaidh raon ionchuir 0 go 2V agus athraigh an friotóir 536kΩ go 470kΩ. Úsáid friotóir shunt 86Ω.
Oiriúnú Braiteoir
Soláthraíonn teirmeachúplaí, tomhasairí brú agus braiteoirí coitianta eile comharthaí neamhlíneacha ar leibhéal íseal atá íogair do EMI. Dá bhrí sin, sula gcuirtear an fhaisnéis seo chuig an gcóras rialaithe, déanann tarchuradóir 4-20mA an comhartha a líneáil agus a riochtú ar dtús. I gcás iarratais ar thomhas teochta nach bhfuil chomh criticiúil, is féidir le brathadóirí teochta friotaíochta (RTDanna) teochtaí suas le 850 céim a thomhas thar achair fhada gan gá le riochtú comhartha costasach.
Is é an RTD is coitianta ná an braiteoir teochta platanam caighdeánaithe ar a dtugtar an PT100, ag a bhfuil friotaíocht 0Ω ag 100 céim agus comhéifeacht teocht líneach de 0.38Ω/ céim. Taispeánann sé freisin comhéifeacht teochta neamhlíneach níos lú, rud a fhágann go bhfuil a shaintréith Ω/ céim beagnach líneach thar raon cúng. Murab ionann agus teirmeachúpla, áit a léiríonn an t-aschur voltais an difríocht teochta idir dhá phointe, is ionann friotaíocht RTD go díreach agus teocht iomlán an braiteora.
Baintear amach an tomhas trí shruth 1mA go 2mA a thiomáint tríd an braiteoir agus an titim voltas trasna a chríochfoirt a thomhas. Tugann sruthanna níos airde earráidí tomhais isteach de bharr féin-téimh de bharr diomailt mhéadaithe cumhachta laistigh den braiteoir. Déanann tagairt inmheánach 4.096V simpliú ar ghiniúint sruth excitation an braiteora (Fíor 5).
Fíor 5. Soláthraíonn an ciorcad seo sruth don braiteoir RTD agus digitíonn sé an t-aschur dá bharr.
Chun cosc a chur ar fhriotaíocht sreang ó thionchar a dhéanamh ar chruinneas tomhais, nascann ceithre shreang neamhspleách an RTD leis an aimplitheoir difreálach. Ós rud é go nascann na sreanga braite le hionchur bacainn ard an aimplitheoir, tá a sruth an-íseal, rud a fhágann gur beag an titim sa voltas. Shocraigh an voltas tagartha 4096mV agus an friotóir aiseolais 3.3kΩ an sruth excitation go thart ar 4096mV/3.3kΩ=1.24mA. Dá bhrí sin, trí an ADC agus an fhoinse reatha araon leis an voltas tagartha céanna a thiomáint, cumasaítear tomhas cóimheasa nuair nach mbíonn tionchar ag sruth tagartha ar an toradh comhshó.
Cumraigh an MAX197 le haghaidh raon ionchuir 0V go 5V agus socraigh an gnóthachan difreálach aimplitheoir go 10 chun luachanna friotaíochta suas le 400Ω a thomhas, a léiríonn thart ar 800 céim . Is féidir leis an microprocessor an comhartha braite a líneáil ag baint úsáide as tábla cuardaigh. Chun an córas a chalabrú, cuir dhá fhriotóir beachtas in ionad an RTD (100Ω a léiríonn nialas, 300Ω nó níos airde a léiríonn scála iomlán) agus stóráil na torthaí comhshó.
Seachas ciorcaid shonracha a thiomnú do raonta ionchuir ar leith, déanann an ciorcad a thaispeántar i bhFíor 6 an t-ionchur ADC a oiriúnú chun freastal ar aon raon comhartha a thuairiscítear níos luaithe. Má roghnaítear an bioráin ionchuir agus an raon ionchuir ADC (Tábla 1) is féidir an chumraíocht chuí a roghnú.
Fíor 6. Déanann an ciorcad ionchuir uilíoch seo an ADC a oiriúnú don raon comhartha ar gach cainéal ionchuir.