Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy

ghost666 20 Gru 2015 23:35 2292 0
  • Rynek dąży do skracania czasu projektowania nowych urządzeń elektronicznych o coraz większej liczbie zintegrowanych funkcji. Systemu elektroniczne muszą być coraz bardziej mobilne i elastyczne. Potrzeba nowej metodologii opracowywania projektów i adresowania powyższych wyzwań - bez zwiększania stopnia skomplikowania systemu i projektu - jest koniecznością dla zachowania pozycji na rynku. Poniższy artykuł omawia kluczowe kwestie z zakresu systemów kontrolno-pomiarowych, które przewijają się w rozmaitych aplikacjach, wliczając w to systemy akwizycji danych, automatyki przemysłowej, programowalne sterowniki logiczne, sterowniki silników etc. W ramach poniższego tekstu omówione zostaną najnowsze bipolarne przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) i postępy w zakresie rozwoju architektur tych układów. Omówiony zostanie wpływ rozwoju technologii układów DAC na rozwój topologii systemów i kompletnych rozwiązań, nowych funkcji oraz zwiększanie elastyczności systemów i budowanie modułowych urządzeń.

    Warto także zwrócić uwagę, że poniższe schematy nie są w zasadzie kompletnymi schematami elektronicznymi, ale ilustrują w jaki sposób realizować można konkretne aplikacje z wykorzystaniem przetworników DAC i innych elementów elektronicznych. W schematach poniżej nie ujęto elementów zasilających i filtrujących zasilanie oraz wielu elementów pasywnych, które powinny znajdować się w układzie. Poniższe ilustracje mają tylko pokazywać jak - w ogólności - powinny być implementowane opisywane aplikacje.

    Systemy Akwizycji Danych

    Tego rodzaju systemy służą, jak sama nazwa wskazuje do akwizycji sygnałów fizycznych. Najczęściej jest to napięcie, prąd, ciśnienie itp. w układach tego typu implementuje się często mikrokontrolery lub mikroprocesory oferujące możliwość przetwarzania danych. Systemy akwizycji danych składają się z kilku elementów: sensorów, wzmacniaczy, konwerterów danych (np. układów ADC) i kontrolera wraz z wbudowanym oprogramowaniem, kontrolującym proces akwizycji sygnału.

    W aplikacji kontrolnej konkretnego procesu niezwykle istotne jest, aby sensor był dostatecznie czuły, by mógł zachować wysoką jakość mierzonego sygnału. Ale nawet jeśli sam sensor jest dostatecznie czuły, błędy sprowadzone do sygnału w torze pomiarowym - błędy wzmocnienia czy offsetu - mogą istotnie pogorszyć jakość sygnału. Jeśli chcemy zaprojektować wysokiej jakości system pomiarowy, pamiętać musimy m.in. o układach DAC do okresowej, automatycznej autokalibracji układu. Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy sensora ciśnienia. Zaprezentowany układ wykorzystuje bipolarne przetworniki DAC (na przykład AD 5761R) do automatycznej kalibracji wzmocnienia i offsetu w systemie pomiarowym.

    Precyzyjne mostki pomiarowe wzbudzane są sygnałem układu kontrolnego, co umożliwia pomiar napięcia na mostku, które jest proporcjonalne do ciśnienia. Napięcie wyjściowe z tego rodzaju sensora ma bardzo niewielką amplitudę, dlatego też pierwszym stopniem toru sygnałowego bardzo często jest wzmacniacz pomiarowy wykorzystywany jako mnożnik. Niska amplituda sygnału wejściowego czyni go podatnym na błędy, takie jak dryft parametrów w funkcji temperatury, pasożytnicze wartości na płytce czy też skończone dokładności elementów pasywnych zastosowanych w układzie.





    Wykorzystując przetwornik AD5761R łatwo można zaimplementować w układzie dynamiczną kalibrację offsetu i wzmocnienia, co pozwoli zmniejszyć wpływ tych wartości na sumaryczny błąd pomiaru w układzie w funkcji czasu. Zależnie od poziomu dostrojenia, wymaganej polaryzacji wejścia, pojedynczy kompletny DAC o wysokiej rozdzielczości i wyjściu bipolarnym, może być wystarczający do realizacji całej procedury autokalibracji wejścia analogowego w układzie. Przedstawiony przetwornik może być kontrolowany poprzez czteroprzewodowy interfejs SPI z szeregowym wyjściem danych, umożliwiającym kaskadowe łączenie przetworników w układzie.

    Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy
    Rysunek 1. Automatyczny system kalibracji sensora ciśnienia w urządzeniu.


    Automatyka przemysłowa

    Aplikacje w zakresie automatyki przemysłowej są przeróżne, ale niezależnie od detali aplikacji, funkcjonalność i parametry całego układu zależą od toru sygnałowego i jednostki kontrolnej. Po stronie analogowej układu akwizycji na parametry systemu automatyki wpływ mają sensory, elastyczność układu i wbudowane możliwości analogowej obróbki sygnału oraz maksymalna częstotliwość zbierania sygnałów, szczególnie o bardzo niskich amplitudach. Po stronie kontrolnej najważniejsza jest elastyczność i możliwość adaptacji urządzenia kontrolnego do sterowania szeroką gamą układów wykonawczych.

    Rysunek 2 pokazuje przykładowy uproszczony system automatyki przemysłowej. Termopara z kompensacją zimnego złącza wykorzystana jest do pomiaru temperatury jakiegoś urządzenia przemysłowego - na przykład lasera lub silnika o dużej mocy. Napięcie z termopary jest następnie wzmacniane, filtrowane i podawane na wejście scalonego front-endu analogowego, gdzie poddawane jest m.in. konwersji analogowo-cyfrowej. Dane cyfrowe są następnie transferowane do procesora, gdzie możliwa jest ich analiza. Zależnie od wyniku analizy danych przez CPU, wysyła on sygnały do kontrolujących oprzyrządowanie przetworników DAC, odizolowanych galwaniczne od układu, które sterują na przykład aparaturą chłodzącą układ, taką jak wentylatory, moduły Pletiera czy systemy chłodzenia wodnego. Dodatkowo system taki posiada możliwość kontroli przez użytkownika, co pozwala mu zmieniać komendy wydawane przez CPU układom wykonawczym podłączonym do sterownika.

    Taki sam system może zostać wykorzystany do pomiaru ciśnienia czy wibracji i kontroli innym zestawem układów. Ciśnieniomierze stosuje się zazwyczaj do kontroli w systemach petrochemicznych i chemicznych do kontroli ciśnienia w zbiornikach roboczych, a żyroskopowy system pozwala na pomiar wibracji w szybkoporuszającym się systemie. Wszystkie te aplikacje wykorzystują ten sam analogowy front-end w urządzeniu, który zapewnia nie tylko obróbkę i digitalizację sygnałów wejściowych, ale także izolację galwaniczną pomiędzy wejściem analogowym a procesorem systemu.

    Układ AD5761R to wysokonapięciowy bipolarny DAC o wysokiej rozdzielczości. Charakteryzuje się on niskim dryftem wewnętrznego stabilizatora napięcia odniesienia, a dzięki wbudowanemu, programowemu wyborowi zakresu wyjścia jest praktycznym zamiennikiem dla wielu układów DAC lub pojedynczego DAC zintegrowanego z multiplekserem. Zapewnia on wyjście napięciowe - uni- lub bipolarne - o wysokiej precyzji z szeregiem opcji do zapewnienia współpracy z dowolnym zakresem napięciowym. Bipolarne wyjście tego przetwornika DAC zapewnia napięcia leżące w zakresie napięć wejściowych niemalże większości układów wykonawczych. Dzięki możliwości programowego sterowania układem system nie wymaga dodatkowych modyfikacji sprzętowych do współpracy z szerokim zakresem kontrolowanych układów.

    Opisywana rodzina układów produkowana jest w niewielkiej obudowie LFCSP o wymiarach 3 mm x 3 mm lub niewiele większej TSSOP. Układy te pracować mogą w szerokim zakresie temperatur otoczenie od –55°C do +125°C. Oferują one zupełnie nowe podejście do projektowania systemów automatyki przemysłowej, pozwalające na minimalizowanie powierzchni na PCB zajmowanej przez system oraz kosztów implementacji.

    Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy
    Rysunek 2. Uproszczony diagram systemu automatyki przemysłowej.


    Programowalne sterowniki logiczne (PLC)

    PLC to urządzenia integrujące w sobie systemy zasilania, przetwarzania informacji wraz z wejściami i wyjściami analogowymi i cyfrowymi. Umożliwiają one realizację systemów kontrolno-pomiarowych, monitorujących wiele zmiennych w skomplikowanych systemach przemysłowych. Systemy PLC są szeroko stosowane w przemyśle i oferują szeroki zakres temperatur pracy, a także odporność na uderzenia, wibracje i zakłócenia elektromagnetyczne. Zasadnicza część budowy układu PLC pokazana jest na rysunku 3. Sygnały wejściowe informujące o stanie monitorowanego systemu dostarczane są do układu przetwarzania danych poprzez moduły wejściowe i są analizowane. Na podstawie wyników analizy sygnałów wejściowych moduł PLC steruje, poprzez moduły wyjściowe, dołączonymi do niego układami wykonawczymi.

    Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy
    Rysunek 3. Główne elementy składowe sterownika PLC.


    Rysunek 4 pokazuje bardziej kompletny system PLC, zawierający embeddowany kontroler/procesor jako główny element systemu, połączony z w pełni izolowanymi układami wejścia i wyjścia. Wyłączając układy zasilające, pozostała część systemu podzielona jest na cztery podstawowe podsystemy: wejścia i wyjścia analogowe oraz wejścia i wyjścia cyfrowe. Szereg rodzajów sensorów podłączany może być do układu, a każdy z nich daje sygnał o charakterystycznej dla siebie częstotliwości/pasmie oraz amplitudzie sygnału. Następnie sygnały te są przetwarzane w analogowym torze pomiarowym i digitalizowane z wykorzystaniem stosownych przetworników. Układy izolacji galwanicznej są wymagane, aby ochronić kontroler układu (np. procesor) przed zbyt wysokimi napięciami wejściowymi wygenerowanymi z uwagi na np. pole elektromagnetyczne. W celu zrealizowania izolacji galwanicznej implementuje się w torze cyfrowym pomiędzy modułem wejścia/wyjścia a procesorem stosowne izolatory - optyczne, pojemnościowe lub indukcyjne.

    Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy
    Rysunek 4. Schemat blokowy kompletnego sterownika PLC.


    Dokładność i rozdzielczość wejść i wyjść może być różna - zależnie od potrzeb. Zazwyczaj wejścia muszą być bardzo dokładne, gdyż z ich wykorzystaniem monitoruje się precyzyjne sygnały pochodzące z sensorów, natomiast w przypadku modułów wyjściowych, nawet w najbardziej precyzyjnych systemach kontrolnych, rozdzielczość na poziomie 16 bitów jest w zupełności dostateczna. Z uwagi na potrzebę osiągania dużej rozdzielczości wejść układu, bardzo często w modułach tych stosuje się przetworniki ADC typu sigma-delta (Σ - Δ). Szeroki wachlarz układów tego rodzaju: o rozmaitej licznie kanałów wejściowych, możliwości równoczesnego ich próbkowania i dodatkowych wbudowanych funkcjonalnościach, takich jak izolacja galwaniczna, dostępny jest na rynku.

    Moduły wyjściowe w układach PLC wykorzystują przetworniki DAC o wyjściach napięciowych lub prądowych oraz mieszaninę obu tych rodzajów konwerterów. Istnieje szereg metod generowania sygnałów o zmiennym napięciu lub prądzie w analogowych modułach wyjściowych układów PLC. Ewolucja precyzyjnych, bipolarnych przetworników DAC, zapewnia dodawanie coraz to nowszych funkcji do tych układów, a także postępującą ich integrację z innymi elementami, co przekłada się na zmniejszanie stopnia skomplikowania układów PLC, wielkość płytki drukowanej i koszt systemu.

    Kontrola silników elektrycznych

    Przetworniki DAC pełnią istotną rolę w systemach kontroli silników elektrycznych, na przykład w pompach strzykawkowych szeroko wykorzystywanych np. w szpitalach. Pompa tego rodzaju dostarcza do organizmu pacjenta lek z ustaloną, niewielką prędkością. Układy te programowane są przez lekarzy do precyzyjnego dostarczania leków do krwioobiegu pacjentów w niewielkich dawkach podawanych co dokładnie określony czas. Ma to ogromną zaletę, nad podawaniem leków ręcznie, z uwagi na ogromną precyzję oferowaną przez tego rodzaju systemy.

    Wielofunkcyjne DACe o wysokiej rozdzielczości - łatwe i uniwersalne elementy
    Rysunek 5. System pompy strzykawkowej do podawania dużych objętości leków.


    Podczas pracy mikrokontroler, sterujący taką pompą, monitoruje prędkość i kierunek obrotów silnika prądu stałego, który napędza tłok strzykawki. Dane te są analizowane przez procesor, który koryguje ustawienia kontrolera silnika. Przetworniki DAC w takim układzie pozwalają proste i precyzyjne sterowanie silnikiem, a przetworniki ADC na monitorowanie jego pracy. Napięcie podawane jest na silnik poprzez wzmacniacz, do którego podłączony jest przetwornik DAC.

    Podsumowanie

    Przetworniki DAC pełnią kluczową rolę w określaniu precyzji i dokładności wielu systemów kontrolno-pomiarowych i układów akwizycji danych. Rodzina układów AD5761R to kompletne, 16-bitowe bipolarne przetworniki DAC z wieloma zakresami napięć wyjściowych, kontrolowanych programowo. Zakresy napięć wyjściowych to:0 V do 5 V, 0 V do 10 V, 0 V do 16 V, 0 V do 20 V, ±3 V, ±5 V, ±10 V oraz od −2.5 V do +7.5 V. Tak bogata gama funkcji czyni z tych układów idealne elementy składowe systemów akwizycji danych, układów PLC i in. Dzięki wbudowanemu, buforowanemu stabilizatorowi napięcia odniesienia o stabilności na poziomie 2 ppm/°C systemu oparte o te DACe są proste do projektowania, zajmują niewielką powierzchnię PCB, zużywają mniej prądu, a ich koszt jest niższy niż porównywalne rozwiązania innych producentów.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/49-12/bipolar-dacs.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Sklep HeluKabel