Полнофункциональное решение для преобразования сигналов датчиков в цифровую форму
Введение
Сердцем многих систем промышленной автоматики и управления технологическими процессами являются программируемые логические контроллеры (ПЛК), используемые для контроля и управления переменными параметрами сложных систем. Системы на базе ПЛК, содержащие множество датчиков и приводов, измеряют значения и управляют такими переменными параметрами, как давление, температура и объем потока жидкости. ПЛК применяются там, где требуется высокая точность и надежное, долговременное функционирование, например на фабриках, нефтеперерабатывающих предприятиях, в медицинском оборудовании и авиационно-космических системах.
Разработчики промышленного оборудования и критической инфраструктуры сталкиваются со значительными трудностями в удовлетворении жестких требований, предъявляемых потребителями к точности, уровню шума, дрейфу, быстродействию и безопасности. Кроме того, в связи с конкуренцией на рынке необходимо снижать стоимость и сокращать цикл проектирования продуктов. Используя ПЛК в качестве примера, автор статьи показывает, как применение универсального, недорогого, обладающего высокой степенью интеграции компонента ADAS3022 позволяет уменьшить сложность разработки и решить многие из тех проблем, которые возникают при проектировании многоканальных систем сбора данных. Этот высококачественный компонент оптимален для прецизионных плат сбора данных с различными диапазонами входных сигналов в промышленных, измерительных, энергетических и медицинских системах, его применение сокращает стоимость и время разработки. Он обладает компактным, простым для трассировки и сборки корпусом и обеспечивает «честное» разрешение 16 бит при быстродействии 1 млн отсчетов в секунду (MSPS).
Пример применения ПЛК
На рис. 1 изображена упрощенная сигнальная цепочка ПЛК, используемого в системах промышленной автоматики и управления технологическими процессами. Как правило, ПЛК включает в себя модули ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, центральный процессор (ЦП) и схему управления питанием.
В промышленности модули ввода аналоговых сигналов применяются для сбора сигналов и контроля состояния удаленных датчиков, работающих в жестких условиях: при экстремальном уровне температуры и влажности, вибрации и присутствии взрывоопасных химических веществ. ПЛК обычно работают с сигналами в виде несимметричных или дифференциальных напряжений, имеющих диапазон полной шкалы 5, 10, ±5 и ±10 В, либо при токе 0–20, 4–20 и ±20 мА. При использовании длинных кабелей в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех часто применяют интерфейс токовой петли, что обусловлено его высокой устойчивостью к шумам.
Модули вывода аналоговых сигналов обычно приводят в действие различные элементы управления, такие как реле, соленоиды и клапаны, замыкая систему автоматизированного управления. Как правило, они обеспечивают выходные сигналы в виде напряжений с диапазоном полной шкалы 5, 10, ±5 и ±10 В, а также тока в диапазоне 4–20 мА.
Типичные модули ввода/вывода аналоговых сигналов имеют 2, 4, 8 или 16 каналов. Для соответствия жестким промышленным стандартам эти модули должны обладать защитой от перегрузки по напряжению и току и электромагнитных помех. Большинство ПЛК имеют средства цифровой гальванической развязки между АЦП и ЦП, а также между ЦП и ЦАП. ПЛК высокого класса могут также содержать средства межканальной гальванической развязки, которая требуется в соответствии со стандартами международной электротехнической комиссии (МЭК). Многие модули ввода/вывода обладают возможностью программного конфигурирования диапазона входного несимметричного или дифференциального сигнала, ширины полосы и частоты дискретизации в отдельно взятых каналах.
Современные ПЛК включают в себя ЦП, который автоматизирует выполнение многочисленных задач, связанных с управлением, обеспечивая доступ к информации в режиме реального времени для интеллектуального принятия решений. ЦП может иметь сложное программно-алгоритмическое обеспечение, а также функции подключения к сети для диагностической проверки на ошибки и выявления неисправностей. Наиболее распространенными интерфейсами связи в ПЛК являются RS‑232, RS‑485, промышленный Ethernet, SPI и UART.
Реализация системы сбора данных на дискретных компонентах
Как показано на рис. 2, разработчики промышленных систем могут создавать аналоговые модули для ПЛК или схожих по принципу действия систем сбора данных, используя высококачественные дискретные компоненты. Ключевыми вопросами, возникающими при их проектировании, являются конфигурация входного сигнала и общие показатели быстродействия и точности.
В представленной на рисунке сигнальной цепочке используются мультиплексор с малой утечкой ADG1208/ADG1209, инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (programmable-gain instrumentation amplifier, PGIA) и коротким временем установления AD8251, быстродействующий оконечный усилитель с полностью дифференциальным выходом перед АЦП (funnel amp) AD8475, 18‑разрядный АЦП с дифференциальным входом семейства PulSAR AD7982, а также обладающий крайне низким шумом источник опорного напряжения ADR4550. Это решение обеспечивает четыре возможных значения коэффициента усиления и четыре диапазона входных сигналов, однако для поддержки максимального входного сигнала ±10 В разработчикам придется уделить особое внимание времени коммутации и установления мультиплексора, а также другим вопросам аналогового преобразования сигналов. Кроме того, даже при использовании этих высококачественных компонентов обеспечение «честной» разрядности 16 бит при быстродействии 1 MSPS может представлять сложность.
Время установления AD7982 при ступенчатом изменении напряжения на величину полной шкалы составляет 290 нс. Таким образом, чтобы гарантировать заявленные в спецификации характеристики при преобразовании сигналов со скоростью 1 MSPS, совокупное время установления комбинации программируемого инструментального усилителя и оконечного усилителя перед АЦП должно быть менее 710 нс. В соответствии со спецификацией на AD8251 время установления его выходного сигнала в пределах погрешности, необходимой для 16‑разрядного преобразования (0,001%), при ступенчатом изменении напряжения на 10 В равно 785 нс, и, таким образом, максимальная пропускная способность, которую гарантированно сможет обеспечить эта сигнальная цепочка, будет менее 1 MSPS.
Проектирование систем сбора данных с помощью интегрированного решения
ADAS3022 выпускают по патентованной технологии изготовления высоковольтных схем для промышленного применения iCMOS. Эта 16‑разрядная микросхема сбора данных с быстродействием 1 MSPS включает в себя восьмиканальный усилитель с малой утечкой, высокоимпедансный инструментальный усилитель с программируемым усилением (PGIA), обладающий высоким ослаблением синфазного сигнала, прецизионный источник опорного напряжения 4,096 В с малым дрейфом и буфер, а также 16‑разрядный АЦП последовательного приближения, как показано на рис. 3.
Это полнофункциональное решение для преобразования сигналов датчиков в цифровую форму занимает всего треть от площади печатной платы по сравнению с реализациями на дискретных компонентах, что помогает инженерам упростить проекты, одновременно уменьшив габариты системы, сократив время от задумки концепции до выхода на рынок и снизив стоимость разрабатываемых ими продвинутых систем сбора данных. Компонент не требует применения дополнительных схем буферизации, преобразования уровня, усиления, ослабления и иных видов аналогового преобразования входного сигнала, а также решения вопросов, связанных с ослаблением синфазного сигнала, шумом и временем установления. Это позволяет преодолеть многие из трудностей, возникающих при проектировании прецизионной 16‑разрядной системы сбора данных с быстродействием 1 MSPS. Он поддерживает наилучшую среди устройств своего класса точность 16‑разрядного преобразования (типичная интегральная нелинейность составляет ±0,6 LSB), низкое напряжение смещения, малый температурный дрейф и низкий уровень шума при частоте дискретизации 1 MSPS (типичное отношение сигнал/шум — 91 дБ) (рис. 4). Заявленные в спецификации характеристики гарантированно обеспечиваются в промышленном температурном диапазоне от –40 до +85 °C.
Инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления имеет широкий диапазон входных синфазных напряжений, высокоимпедансные входы (>500 МОм) и широкий динамический диапазон, что дает возможность применять его в токовых петлях 4–20 мА. При этом обеспечивается точное измерение слабых сигналов датчиков и подавление помех от сетей питания, электрических двигателей и других источников. (Минимальный коэффициент ослабления синфазного сигнала — 90 дБ.)
Вспомогательный дифференциальный канал ввода аналоговых сигналов может принимать на вход сигналы в диапазоне ±4,096 В. Подаваемый на него сигнал поступает непосредственно на 16‑разрядный АЦП последовательного приближения в обход каскадов мультиплексора и инструментального усилителя. Компонент также содержит интегрированный температурный датчик для контроля локальной температуры.
Столь высокий уровень интеграции позволяет сэкономить пространство на печатной плате и уменьшить общую стоимость компонентов, делая ADAS3022 оптимальным выбором для систем с ограничениями на габариты, например автоматического тестового оборудования, систем контроля качества сетей питания, промышленной автоматики, управления технологическими процессами, контроля состояния пациентов, а также других промышленных и измерительных систем, которые работают с сигналами промышленных уровней до ±10 В.
На рис. 5 изображена полнофункциональная восьмиканальная система сбора данных. Микросхема ADAS3022 работает с напряжениями питания аналоговой и цифровой части, равными ±15 и 5 В соответственно, а также требует отдельного напряжения питания для интерфейса цифрового ввода/вывода в диапазоне от 1,8 до 5 В. Возможность работы системы от одного напряжения 5 В обеспечивается при помощи обладающего высоким КПД и малым уровнем пульсаций преобразователя постоянного напряжения ADP1613. Сконфигурированный в топологии несимметричного преобразователя Чука (SEPIC) при помощи инструмента проектирования ADIsimPower, ADP1613 формирует биполярное напряжение ±15 В, необходимое для питания мультиплексора и инструментального усилителя без ухудшения характеристик схемы.
В таблице дано сравнение значений шума для ADAS3022 и системы сбора данных на дискретных компонентах. Для вычисления полного шума всей сигнальной цепочки используются следующие параметры: амплитуда входного сигнала, коэффициент усиления (КУ), эквивалентная ширина полосы шума (equivalent noise bandwidth, ENBW) и приведенный ко входу (referred to input, RTI) шум каждого компонента.
Шум |
ADG1209 |
AD8251 |
AD8475 |
AD7982 |
Полный шум |
ADAS3022 |
Входной |
||
RTI, |
RTI, |
RTI, |
RTI, |
ОСШ, |
RTITotal, |
ОСШ, |
ОСШ, |
||
КУ = 1 (±10 В) |
6,56 |
124 |
77,5 |
148 |
95,5 |
208 |
90,6 |
91,5 |
7,07 |
КУ = 2 (±5 В) |
6,56 |
83,7 |
38,8 |
74,2 |
95,5 |
119 |
89,5 |
91 |
3,54 |
КУ = 4 (±2,5 В) |
6,56 |
68,2 |
19,4 |
37,1 |
95,5 |
80,3 |
86,8 |
89,7 |
1,77 |
КУ = 8 (±1,25 В) |
6,56 |
55,8 |
9,69 |
18,5 |
95,5 |
60 |
83,4 |
86,8 |
0,88 |
Однополюсный фильтр нижних частот (ФНЧ) между AD8475 и AD7982 (рис. 2) ослабляет броски тока, поступающие от входного каскада AD7982 на переключаемых конденсаторах, и ограничивает количество высокочастотного шума. Ширина полосы ФНЧ по уровню –3 дБ (f–3 дБ) равна 6,1 МГц (R = 20 Ом, C = 1,3 нФ), что позволяет поддерживать короткое время установления входных сигналов при частоте преобразования до 1 MSPS. Эквивалентная ширина полосы шума (ENBW) ФНЧ может быть найдена при помощи формулы:
ENBW = π/2×f–3 дБ = 9,6 МГц.
Обратите внимание, что в этом расчете игнорируется шум источника опорного напряжения и ФНЧ, поскольку он не оказывает существенного влияния на полный шум, основной вклад в который вносит инструментальный усилитель с программируемым коэффициентом усиления.
Рассмотрим в качестве примера работу схемы с диапазоном входных напряжений ±5 В. В данном случае коэффициент усиления AD8251 устанавливается равным двум. Коэффициент усиления оконечного усилителя с полностью дифференциальным выходом перед АЦП (funnel amp) AD8475 устанавливается равным фиксированной величине 0,4 для всех четырех диапазонов входных напряжений. Таким образом, на вход AD7982 будет поступать дифференциальный сигнал в диапазоне от 0,5 до 4,5 В (размах — 4 В). Приведенный ко входу шум ADG1208 определяется при помощи уравнения Джонсона–Найквиста:
en2 = 4KBTRON,
где KB = 1,38×10–23 Дж/K, T = 300 K, а RON = 270 Ом.
Приведенный ко входу шум AD8251 определяется из спектральной плотности шума, которая в соответствии с техническим описанием компонента равна 27 нВ/√Гц при коэффициенте усиления 2. Аналогичным образом приведенный ко входу шум AD8475 определяется из его спектральной плотности шума, которая равна 10 нВ/√Гц при коэффициенте усиления 0,8 (2×0,4). В обоих расчетах использовалось значение ENBW, равное 9,6 МГц. Приведенный ко входу шум AD7982 вычисляется на основании значения отношения сигнал/шум, которое в соответствии с техническим описанием равно 95,5 дБ при коэффициенте усиления 0,8. Полный приведенный ко входу шум всей сигнальной цепочки определяется как корень квадратный из суммы квадратов шумов отдельных компонентов.
Полное отношение сигнал/шум рассчитывается по формуле:
SNR = 20log(VINrms/RTITotal)
и составляет 89,5 дБ.
Несмотря на то, что теоретическая оценка уровня шума (ОСШ) и общие показатели сигнальной цепочки, построенной с использованием дискретных компонентов, сопоставимы с аналогичными параметрами ADAS3022, особенно при малых коэффициентах усиления (G = 1 и G = 2) и четырех малых значениях пропускной способности (гораздо меньше 1 MSPS), это решение не является идеальным. Применение ADAS3022 позволяет снизить стоимость примерно на 50% и уменьшить занимаемую на печатной плате площадь примерно на 67% по сравнению с решением на дискретных компонентах. Кроме того, ADAS3022 поддерживает три дополнительных диапазона входных напряжений (±0,64, ±20,48 и ±24,576 В), которые недоступны в решении на дискретных компонентах.
Заключение
От промышленных модулей ПЛК следующего поколения будут требоваться одновременно высокая точность, надежность работы и гибкие функциональные возможности при малых габаритах. Обладающая передовыми показателями и степенью интеграции микросхема ADAS3022 поддерживает широкий диапазон входных напряжений и токов, позволяя работать с разнообразными типами датчиков в системах промышленной автоматики и управления технологическими процессами. ADAS3022 является оптимальным решением для модулей ввода аналоговых сигналов ПЛК и других плат сбора данных, с помощью которого производители промышленных систем смогут сделать свои продукты привлекательными на фоне продукции конкурентов, в то же время обеспечив выполнение жестких требований пользователей.
- Kessler M. Synchronous Inverse SEPIC Topology Provides High Efficiency for Noninverting Buck/Boost Voltage Converters // Analog Dialogue. 2010. Vol. 44. No. 2.
- Slattery C., Hartmann D., Li Ke. PLC Evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems // Analog Dialogue. 2009. Vol. 43. No. 2.
- Circuit Note CN0201. Complete 5 V, Single-Supply, 8‑Channel Multiplexed Data Acquisition System with PGIA for Industrial Signal Levels.
- MT‑048 Tutorial. Op Amp Noise Relationships; 1/f Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth.