産業用制御システムは、プロセス機器と制御機器の間でデータを送信するために標準アナログ信号に依存し続けています。安定した 4 ～ 20mA の電流ループ信号は数千フィートを簡単に通過でき、±5 および ±10V 信号も産業用システムでは一般的です。
このアプリケーションノートでは、マキシムの統合データ収集システム(DAS)ソリューションを紹介します。マキシムのDASソリューションは、最小限の外付け部品で標準産業用アナログ信号を変換しながら、基板スペース、消費電力、設計時間を節約します。
導入
デジタル フィールドバスには複数のバージョンがあるにもかかわらず、産業用制御システムはプロセス機器と制御機器の間でデータを送信するために標準アナログ信号に依存し続けています。たとえば、化学プラントのプロセストランスミッタは、低レベルの温度および圧力信号を、数千フィートを容易に伝送できる安定した 4 ～ 20 mA の電流ループ信号に変換します。{1}
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 電流源で駆動した場合は 1mV)。
プロセス環境内の制御機能は、PLC (プログラマブル ロジック コントローラー)、PCS (プロセス コントロール システム)、または (最近では) IPC (産業用パーソナル コンピューター) によって実装されます。これらのデバイスはプロセス固有のソフトウェアを実行するデジタル システムであるため、コンピュータが読み取る前にすべてのアナログ信号をデジタルに変換する必要があります。{1}
制御システム内の A/D 変換は、「アナログ周辺機器」と呼ばれるボードまたはボックスによって実行されます。これらは、リモート (機械など) に設置されている場合、システムのバックプレーン バスまたはフィールドバスを介して CPU に接続します。これらの周辺機器には、デジタル回路 (CPU 通信用) のほかに、さまざまな高精度アナログおよび混合信号コンポーネントが組み込まれています。-ボードあたりのチャネル数を増やすか、パッケージを小さくする (機械実装用) 必要があるため、スペースと電力の制約が生じ、アナログ周辺機器の主な設計課題となります。次の回路は信号調整技術を示し、単一チップを使用して最大 8 つのチャネルをデジタル化する方法を説明します。
データ収集システム
高度なデータ収集システム（図 1）は、入力チャンネル間を切り替えるマルチプレクサ（mux）、さまざまな入力範囲にゲインとオフセットを調整する信号調整回路、および基準電圧（VREF）を備えたアナログ--- デジタル コンバータ（ADC）で構成されています。
図 1. この図は、データ収集システムの基本コンポーネントを示しています。
統合型 DAS ソリューション
図1に示す基本モジュールを統合することで、マキシムは基板スペース、消費電力、設計時間を節約する一連のシングルチップデータ収集システムを開発しました。-これらのチップは最小限の外部コンポーネントを必要とし (場合によっては何も必要ない)、現在使用されているほとんどの標準信号を変換できます。各デバイスには 12 ビット ADC、マルチプレクサ、ゲイン/オフセット補正が組み込まれており、ほとんどのマイクロプロセッサに簡単に接続できるシリアルまたはパラレル デジタル インターフェイスを備えています。
次のブロック図 (図 2) は、このシリーズの一般的な構成を示しています。主な違いは、マイクロプロセッサに接続されているデジタル セクションにあります。各チップは、障害保護されたマルチプレクサを介して内部 ADC に接続された 16 または 5 個のシングルエンド アナログ入力チャンネルを備えています。-どのチャンネルも最大入力電圧に耐えることができます。<>.<>V であり、どのチャネルの障害も他のチャネルの変換には影響しません。
図2. 図1に示す機能がこのチップに統合されています。
各チャンネルは、5V 単電源で動作しながら、標準入力範囲 (0 ～ 5V、0 ～ 10V、±5V、または ±10V) に個別にプログラムできます。他のデバイスも同様のゲイン構造を備えていますが、異なる入力範囲（ユニポーラまたはバイポーラの 2V または 4V、またはユニポーラまたはバイポーラの VREF または -VREF）を受け入れます。 10% の入力オフセット (-10V ～ +2V) による 100 倍のゲイン可変機能により、ダイナミック レンジが 14 ビット拡張され、システムは次のようになります。<>- ビットのダイナミック レンジ。
内蔵ADCは容量性DACをベースとした12ビット逐次比較型で、MSB容量がサンプル/ホールド回路のホールドコンデンサとしても機能します。各デバイスは、内部発振器または外部クロックのいずれかを使用して動作できます。
MAX196～MAX199デバイスは/WRパルスを利用して取り込みを開始および停止し、変換速度を低下させることなく「外部取り込みモード」で比較的長い取り込み時間を実現します。デバイスの短いアパーチャ遅延と低いアパーチャ ジッター (<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.
デジタルインターフェース
高速測定を必要とするアプリケーションには、並列データ インターフェイス (MAX196 ～ MAX199) が最適です。-これらのデバイスは、100MHz のクロック レートで 2Ksps のスループットを実現しており、ほとんどの高速制御ループに十分です。{6}}低速のアプリケーションの場合は、利用可能な I²C- 互換インターフェイス バージョンを使用すると、基板スペースを節約し、DAS とマイクロコントローラ間の通信を簡素化できます。これらのデバイスは高速変換時間 (10μs) を特徴としていますが、シリアル インターフェイスによりスループットが 8kbps に制限されます。
たとえば、MAX197は0V～10V、0V～5V、±5V、および±10Vの入力を受け入れます。これらの入力を駆動するソースインピーダンスは、ユーザーにとって最大の関心事です。サンプリング中、ADC は電流パルスを引き込んでその T/H コンデンサ (容量性 DAC の MSB コンデンサ) を充電します。したがって、収集中に適切な電圧セトリングを確保するには、十分なスルーレートを備えた高速セトリングのオペアンプが必要です。- MXL1013/MXL1014 オペアンプは、高速サンプリング レートの達成に優れた性能を発揮します。低速のオペアンプの場合は、取得時間を延長する必要があります。
多くの自動化システムで使用される差動入力は、コモンモード干渉の影響を比較的受けません。{0}}ほとんどの場合、入力インピーダンスが 1MΩ を超える単純な差動アンプ回路 (図 3) で十分です。 (入力インピーダンスを高くするには、標準の 3- オペアンプ計装アンプを使用します。) 図 3 に示す出力は次のとおりです。
Vout=R2(V+ - V-) / R1。
コモンモード除去を高くするには、R1=R3 と R2=R4 を設定します。-示されている組み合わせのゲインは 0.876 で、±10V 入力範囲を約 114% 拡張して、範囲を超えた信号を測定します。この調整により、±10V 帯域の分解能が約 11.8 ビットに低下します。
図 3. シンプルな差動アンプは、高い入力インピーダンスとシングルエンド出力を提供します。-
20mA電流ループ
電流ループは、ノイズの多い環境で小さな信号を長距離にわたって送信します。電流は通常、温度や圧力などの変数を 0mA ～ 20mA または 4mA ～ 20mA の範囲内の直流に変換するプロセストランスミッターによって生成されます。その後、電流はシャント抵抗器を流れ、比例した電圧降下が発生しますが、これは簡単にデジタル化できます。ループの駆動に利用できる適合電圧-ワイヤ抵抗を含む-が 15 ～ 18 V を超えることはほとんどないため、抵抗値は数百オームに制限されます (図 4)。
図4. 図3に示すアンプと220Ωシャント抵抗から得られる電流ループ信号を組み合わせると、便利なシングルエンド出力が生成されます。-この回路は、±10V 調整回路と同じ差動アンプと 220Ω シャント抵抗を備えています。この抵抗は、4mA で 4.20V、5mA で 5.25V の電圧降下を示します。差動アンプのゲインは、ADC 入力で最大 4.62V に調整されます。したがって、0.5V入力用にプログラムされたDASは、この信号を最大11.8ビットの分解能でデジタル化できます。
MAX198/MAX199およびMAX128は、このシリーズの中で入力範囲が最も小さいため、ゲイン調整を必要とせずに小さなシャント抵抗で動作します。これにより、他の高レベル測定（最大 ±20V）を必要としないシステムでの 10mA 測定により適しています。-図4に示す回路をMAX199で使用できるようにするには、MAX199を0～2Vの入力範囲に設定し、536kΩの抵抗を470kΩに変更します。 86Ωのシャント抵抗を使用してください。
センサーの適応
熱電対、ひずみゲージ、その他の一般的なセンサーは、EMI の影響を受けやすい低レベルの非線形信号を生成します。{0}したがって、この情報を制御システムに送信する前に、4 ～ 20mA トランスミッタがまず信号を線形化し、調整します。それほど重要ではない温度測定アプリケーションの場合、測温抵抗体 (RTD) は、高価な信号調整を必要とせずに、長距離にわたって最大 850 度の温度を測定できます。
最も人気のある RTD は、PT100 として知られる標準化されたプラチナ温度センサーで、100 度で 0Ω の抵抗と 0.38Ω/度の線形温度係数を特徴としています。また、より小さな非線形温度係数を示し、その Ω/度特性が狭い範囲にわたってほぼ線形になります。電圧出力が 2 点間の温度差を表す熱電対とは異なり、RTD の抵抗はセンサーの絶対温度を直接表します。
測定は、センサーに 1mA ～ 2mA の電流を流し、その端子間の電圧降下を測定することによって行われます。電流が高くなると、センサー内の消費電力の増加による自己発熱により測定誤差が生じます。- 4.096V の内部基準により、センサー励起電流の生成が簡素化されます (図 5)。
図 5. この回路は RTD センサーに電流を供給し、その結果の出力をデジタル化します。
配線抵抗が測定精度に影響を与えるのを防ぐため、4 本の独立した配線で RTD を差動アンプに接続します。センシング ワイヤはアンプの高インピーダンス入力に接続されているため、電流は非常に低く、電圧降下は無視できます。 4096mV の基準電圧と 3.3kΩ の帰還抵抗により、励起電流は約 4096mV/3.3kΩ=1.24mA に設定されます。その結果、ADCと電流源の両方を同じ基準電圧で駆動することで、基準電圧のドリフトが変換結果に影響を与えない比率測定が可能になります。
MAX197を0V～5Vの入力範囲に構成し、差動アンプのゲインを10に設定して、約800度を表す最大400Ωの抵抗値を測定します。マイクロプロセッサは、ルックアップ テーブルを使用してセンサー信号を線形化できます。システムを校正するには、RTD を 2 つの高精度抵抗器 (100Ω はゼロを表し、300Ω 以上はフルスケールを表します) に置き換えて、変換結果を保存します。
図 6 に示す回路は、特定の回路を特定の入力範囲専用にするのではなく、前述の任意の信号範囲に対応するように ADC 入力を適応させます。入力ピンと ADC 入力範囲 (表 1) を選択すると、適切な構成を選択できます。
図6. このユニバーサル入力回路は、ADCを各入力チャンネルの信号範囲に適応させます。