Решения для промышленных систем сбора и обработки данных

Система сбора данных (ССД) - это набор аппаратных средств, осуществляющий выборку, преобразование, хранение и первоначальную обработку различных входных аналоговых сигналов. Система сбора данных является основным элементом многоканальных средств измерений, определяющим его технические характеристики.

В состав ССД могут входить фильтры нижних частот (ФНЧ), нормирующие усилители (НУ), аналоговый мультиплексор (MUX), устройство выборки и хранения (УВХ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер (МК). Некоторые типы ССД содержат программируемый усилитель после мультиплексора, что позволяет перестраивать диапазон измерений. Наиболее распространенная структура ССД представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структурная схема ССД

На вход ССД поступают аналоговые сигналы, например - с датчиков физических величин. Тип и уровень аналогового сигнала определяется физическими особенностями применяемых датчиков. Как правило, сигнал мал по амплитуде, и в нем присутствуют нежелательные шумы и помехи. Фильтр нижних частот производит фильтрацию и предотвращает наложение спектров сигнала. Нормирующий усилитель согласует по амплитуде сигнал первичного преобразователя с входным диапазоном АЦП. Аналоговый мультиплексор обеспечивает коммутацию выбранного аналогового входного канала с УВХ. Устройство выборки-хранения производит хранение сигнала в течение всего периода времени преобразования аналого-цифрового преобразователя. АЦП осуществляет преобразование напряжения с входного аналогового канала в цифровой код. Далее цифровой код, пропорциональный входному сигналу с датчика, поступает в микроконтроллер, где происходит его первоначальная обработка.

ССД используются в различных областях, таких как прецизионные низкочастотные измерения, акустика, а также в высокоскоростных измерениях. Несмотря на близкую структуру, в зависимости от области применения к ССД, к ним могут предъявляться различные требования. В некоторых случаях используются и другие структуры ССД, Например, структура с несколькими УВХ (рисунок 2а). Эта структура используется, когда необходимо произвести выборку значений двух или большего числа сигналов точно в один и тот же момент времени (одновременная выборка).

Структура с параллельно работающими АЦП (рисунок 2б) используется, когда преобразование всех сигналов должно проходить максимально быстро и в один и тот же момент времени. Наличие отдельного АЦП для каждого канала позволяет реализовать более высокую частоту дискретизации в расчете на канал. Такая структура чаще всего используется в системах контроля качества электросетей, управления двигателем и т.д. Обе структуры ССД, изображенные на рисунке 2, используются в приложениях, где разность фаз выборки сигналов, возникающая из-за задержки преобразования, ведет к появлению методической погрешности.

а)

б) 

Рис. 2. Структуры ССД

В настоящее время существуют два основных подхода к проектированию современных систем сбора данных: построение ССД с использованием дискретных компонентов и построение ССД с использованием технологий систем на кристалле.

Первый подход является наиболее сложным способом разработки ССД. Он требует обоснованного выбора элементной базы, схемотехнических решений и конструкции печатной платы. Этот подход предполагает создание макетного образца и проведение испытаний, что увеличивает сроки и стоимость разработки. Для всего перечисленного необходимы высокая квалификация разработчика, а также достаточно большие временные и экономические затраты. Тем не менее, построение ССД на дискретных компонентах необходимо для решения узкоспециализированных задач. Это целесообразно в случаях, когда для решения задачи не существует специализированных систем на кристалле или готовых интегральных ССД.

Компания Maxim выпускает значительное количество высокоинтегрированных компонентов с уникальными характеристиками для построения современных ССД. В номенклатуре выпускаемой ею продукции есть компоненты для реализации любого узла ССД, такие как датчики физических величин, интегральные фильтры, операционные и инструментальные усилители, цифровые и аналоговые мультиплексоры, устройства выборки и хранения, источники опорного напряжения, программируемые усилители, аналого-цифровые преобразователи, микроконтроллеры и т.д.

Интегральные схемы фильтров

Для построения активных фильтров необходимо использование малошумящих операционных усилителей и большого количества пассивных компонентов. При этом малошумящие ОУ, как правило, имеют высокий уровень энергопотребления и высокую стоимость. Кроме того, построение фильтров ведет к увеличению габаритных размеров и усложнению трассировки печатной платы. Использование готовых интегральных фильтров серии MAX74xx позволяет реализовать ФНЧ до 8-го порядка на одной микросхеме. Семейство MAX74xx состоит из фильтров эллиптического типа, фильтров Баттерворта и Бесселя до 8-го порядка. Потребление интегральных фильтров в активном режиме не превышает 1,2 мА. Миниатюрный корпус SOIC8 поможет сэкономить место на плате, особенно если ССД имеет многоканальную структуру. Подробнее об интегральных фильтрах можно узнать по адресу: http://www.maximintegrated.com/products/filters.

Усиление и нормирование сигнала

Схема усиления и нормирования сигнала предназначена для согласования уровня напряжения выходного аналогового сигнала датчика к полному диапазону АЦП, что снижает погрешность преобразования АЦП. Подбирая операционные усилители для работы в составе той или иной ССД, помимо метрологических характеристик, таких как напряжение, смещение, температурный и временной дрейф напряжения смещения, КОСС, коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, необходимо внимательно анализировать и шумовые характеристики ОУ (см. таблицу 1).

Для приложений, особенно критичных к уровню шума, необходимо использование таких малошумящих ОУ, как, например, MAX9632. Это малошумящий операционный усилитель с ультранизким уровнем входных шумов (порядка 0,94 нВ/√Гц) и напряжения смещения (125 мкВ) в широком диапазоне питающих напряжений (до 36 В).

MAX44251/2 - сверхпрецизионный малошумящий усилитель с малым дрейфом нуля (рисунок 3). Этот ОУ, разработанный специально для применения в прецизионных измерительных цепях,обладает уникальным набором метрологических характеристик: напряжением смещения порядка 7 мкВ и уровнем шума 5,9 нВ/√Гц во всем рабочем температурном диапазоне. Температурный дрейф нуля составляет 19 нВ, полоса пропускания - 10 МГц. Благодаря низкому уровню шума и хорошим метрологическим характеристикам MAX44251/2 отлично подходит для работы в составе аналоговой измерительной цепи совместно с 24-разрядным АЦП. Широкий диапазон питания до 20 В делает его идеальным для работы с тензометрическими преобразователями.

Рис. 3. Пример применения ОУ MAX44251 совместно c 24-разрядным АЦП серии MAX112хх

MAX9617/18 минимизирует временной и температурный дрейф напряжения смещения. Это ОУ с низким энергопотреблением (<100 мкА) и автоматической коррекцией нуля (zero-drift). Он обладает одним из лучших показателей по уровню шумов среди выпускаемых ОУ данного класса (42 нВ/√Гц) и <420 нВ (p-p) в полосе частот от 0,1 до 10 Гц. Дрейф нуля составляет порядка 120 нВ/°C, напряжение смещения - до 10 мкВ. Другой особенностью данного ОУ является то, что благодаря технологии "zero-drift" он имеет хорошую долговременную и температурную стабильности, а также способен уменьшить влияние труднофильтруемого низкочастотного фликкер-шума. Благодаря диапазону напряжения питания (1,8...5,5 В) и малому потреблению его удобно использовать в измерительной аппаратуре с батарейным питанием.

Для задания коэффициента усиления удобно использовать интегральные делители напряжения MAX5490/1/2. Использование интегральной резисторной цепочки серии MAX549x (рисунок 4) поможет снизить габаритные размеры и повысить стабильность аналоговой схемы. Прецизионные резистивные делители семейства MAX549х состоят из двух точно согласованных резисторов с тремя классами согласования: 0,035% (класс A), 0,05% (класс B) и 0,1% (класс C). Температурный дрейф коэффициента деления чрезвычайно низок и не превышает 2 ppm/°С.

Рис. 4. Применение прецизионной цепочки резисторных делителей MAX5491

Аналоговые мультиплексоры

Основное назначение аналоговых мультиплексоров - передача данных от нескольких источников сигнала к одному приемнику. Использование аналогового мультиплексора помогает нарастить количество каналов при использовании одного АЦП. Основными требованиями, предъявляемыми к аналоговым мультиплексорам, являются минимальное сопротивление канала в открытом состоянии, максимальное сопротивление в закрытом состоянии, быстродействие, температурный дрейф характеристик, потребляемая мощность, величины коммутируемых напряжений и токов, а также наличие встроенных дополнительных функций.

MAX14778 - это аналоговый мультиплексор с возможностью мультиплексирования сигнала в диапазоне ±25 В, с широким диапазоном питания - от 3 до 5 В, с защитой от статического напряжения ±6 кВ. Отличительной особенностью мультиплексора MAX14778 является то, что, помимо аналоговых сигналов, он может выступать как коммутатор любых интерфейсов, к примеру - в комбинированных ССД.

Для коммутации высоковольтных сигналов Maxim выпускает серию аналоговых мультиплексоров с расширенным диапазоном уровня входного сигнала, например - MAX14752, MAX14753. Диапазон напряжений входных сигналов до 72 В. Оба мультиплексора работают как при биполярном питании от ±10 до ±36 В, так и при однополярном от 20 до 72 В. Для данных мультиплексоров характерно низкое сопротивление открытого канала (типичное значение 0,03 Ом), мало меняющееся во всем диапазоне напряжений питания.

Устройство выборки/хранения

УВХ предназначено для уменьшения погрешности в выходном сигнале преобразователя, связанной с неопределенностью значения входного сигнала в течение времени преобразования при очень быстром его изменении. УВХ нужны также для многоканальных систем сбора данных, где они обеспечивают хранение выборки для выполнения преобразования по одному каналу, в то время как мультиплексор переключается на другой канал. Использование УВХ позволяет свести к минимуму апертурную погрешность. Основными критериями, предъявляемыми к устройствам выборки/хранения, являются скорость выборки, период удержания сигнала, потребляемая мощность и габаритные размеры.

DS1843 - это высокоскоростное УВХ для работы с сигналами до нескольких ГГц. Время захвата DS1843 составляет менее 300 нс, а время удержания сигнала - более 100 мкс. DS1843 выпускается в миниатюрном корпусе mDFN (2x2 мм), что поможет сохранить место на плате.

Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь является важнейшим компонентом ССД, определяющим метрологические характеристики, а также быстродействие всей системы. Современный АЦП - это сложное устройство, технологией производства которого обладает далеко не каждый производитель электронных компонентов. Основными параметрами АЦП являются метрологические характеристики, быстродействие, функциональная полнота, стоимость, тип внешнего интерфейса, потребляемая мощность, тип корпуса.

Компания Maxim выпускает широкую номенклатуру АЦП (таблица 2), из которой можно выбрать преобразователь для применения практически в любом приложении.

Новое семейство АЦП MAX112xx разработано для применения в низкоскоростных прецизионных измерительных устройствах. Это семейство прецизионных АЦП с разрешающей способностью 24, 20, 18, 16 разрядов. Эффективное количество бит доходит до 24 при скорости работы пять преобразований в секунду. Стоит отметить рекордно низкую стоимость АЦП этого семейства. Оно содержит модели с различным функциональным набором, например, MAX11202 - АЦП без дополнительных периферийных модулей и функций, что позволяет оптимизировать себестоимость системы. Модель MAX11210 уже имеет на борту высокоомные входные буферы, малошумящий программируемый усилитель, встроенный источник тактирования, модуль программируемых портов ввода/вывода. Использование программированного усилителя дает возможность оптимизировать (если это возможно) структуру измерительного тракта, исключив устройство усиления и нормирования сигнала. Встроенный источник тактирования и модуль программируемых портов ввода/вывода позволяют расширить функционал микроконтроллера, задействовав только три сигнала интерфейса для работы с АЦП. Эта функция полезна в случаях, когда требуется реализовать гальваническую развязку между цифровой частью и аналоговым каналом ССД. Развязав всего три линии интерфейса, микроконтроллер, посредством встроенного модуля портов ввода/вывода АЦП, может управлять любыми другими устройствами, находящимися на стороне изолированного канала (мультиплексоры, УВХ, транзисторные ключи и т.д.).

АЦП семейства MAX112xx с одинаковым функциональным набором, но разными разрешающими способностями, полностью совместимы, что позволяет оптимизировать состав измерительного тракта. Легко повысить метрологические характеристики системы, заменив АЦП с более низкой разрешающей способностью на АПЦ с большей, не переделывая при этом печатную плату. Кроме того, это позволяет разработчику легко перейти с младшей модели преобразователя на старшую без временных затрат на освоение. Перечисленные достоинства, а также рекордно низкая потребляемая мощность (до 300 мкА максимум), миниатюрные габаритные размеры (корпуса QSOP) и низкая стоимость позволяют реализовать ССД с оптимально подобранным и настроенным АЦП в каждом канале для преобразования требуемого сигнала без существенного увеличения себестоимости, потребления и габаритных размеров всей системы. Или повысить универсальность системы сбора данных.

Серии АЦП MAX11040K и MAX11060 разработаны для ССД, работающих в составе систем оценки качества электросетей, устройств релейной защиты, в медицинских системах измерения (ЭКГ) и для любых иных применений, где требуется одновременная обработка сигналов с различных источников. MAX11040K и MAX11060 - это прецизионная серия АЦП с разрешающей способностью 24/16 бит и максимальной скоростью работы до 64 тысяч преобразований в секунду. Основной особенностью данной серии является способность одновременной обработки сигналов, поступающих на преобразователь. Поддержка каскадной схемы включения АЦП позволяет обрабатывать до 32 независимых каналов посредством одной команды. Каждый канал MAX11040K/60 содержит Сигма-Дельта АЦП и цифровой фильтр нижних частот. Функция обнаружения выхода сигнала за диапазон измерений позволяет обнаружить и предпринять действия для защиты цепей измерения. MAX11040K/60 предоставляют возможность программной установки задержки перед началом преобразования каждого канала. Преобразование одного сигнала всеми каналами с разделением по времени позволяет свести к минимуму значение апертурной погрешности при высокой скорости преобразования.

Как и семейство MAX112xx , изделия серии MAX11040K/60 полностью совместимы друг с другом, что позволяет легко взаимозаменять MAX11040K и MAX11060 для достижения оптимальной разрешающей способности.

Наиболее прогрессивным перспективным способом является построение ССД с применением систем на кристалле. Для большинства современных задач существуют готовые решения, выполенные в виде систем на кристалле. Использование таких систем позволяет снизить временные и экономические затраты, а, следовательно, и себестоимость ССД. Использование систем на кристалле упрощает построение всей ССДпо сравнению с построением отдельно взятого тракта обработки аналогового сигнала на отдельных компонентах.

Системы прецизионного нормирования, обработки и преобразования сигналов с датчиков физических величин

Эти устройства позволяют упростить структуру ССД, исключив схемы усиления и нормирования, построенные на операционных и измерительных усилителях (см. таблицу 3).

Так, например, MAX1454 представляет собой прецизионную, надежную, устойчивую к отказам высокоинтегрированную схему предварительной обработки сигнала. В ее состав входят все необходимые аналоговые узлы, обеспечивающие усиление, калибровку и температурную компенсацию входного сигнала и не вносящие при этом шумы квантования. Смещение нуля, установка рабочего диапазона напряжений и калибровка производятся с помощью встроенного 16-битного ЦАП, что обеспечивает легкость замены датчиков. Наличие защиты от перегрузки и переполюсовки по входу в пределах до 45 В, ограничения выходного тока и схемы обнаружения неисправности первичного преобразователя позволяют создать высоконадежное измерительное устройство.

АЦП с функционалом систем сбора данных

АЦП серии MAX11044/5/6 и MAX11054/5/6 (рисунок 5) существенно облегчают задачу разработки ССД, так как содержат большую часть функциональных узлов, таких как УВХ, 16- и 14-разрядный АЦП в каждом канале. Наличие в каждом канале УВХ и АЦП позволяет проводить одновременное преобразование всех сигналов. При этом скорость работы достигает 250 тысяч преобразований в секунду на канал. Входы семейства MAX1104x/5x являются высокоомными (до 1 ГОм), поддерживают широкий диапазон входного сигнала ±5 В. Встроенный тактовый генератор и источник опорного напряжения (ИОН) позволяют сократить до минимума количество требуемых внешних компонентов.

Рис. 5. Структурная схема АЦП семейства MAX11044/5/6 и MAX11054/5/6

Применение АЦП семейства MAX1104x/5x позволяет реализовать достаточно универсальную высокоскоростную ССД с минимальными временными затратами. Однако в случае обработки сигналов с разными уровнями диапазонов изменения необходимо проектирование дополнительных блоков предварительной обработки сигналов. Упростить электрическую схему путем исключения схем усиления и нормирования позволяет использование многоканального аналого-цифрового преобразователя MAX1602. Это 16 разрядный 8-канальный АЦП со скоростью работы до 115 тысяч преобразований в секунду. Отличительной особенностью MAX1602 является возможность индивидуальной настройки диапазона измерения каждого канала. Благодаря небольшому потреблению в спящем режиме (около 2 мкА) и миниатюрному корпусу TSSOP MAX1602 отлично подходит для построения малогабаритных переносных ССД с автономным питанием.

На базе MAX1400/1/2/3 можно построить высокопрецизионную законченную промышленную систему сбора данных с использованием минимального набора внешних компонентов. MAX1400/1/2/3 по своей структуре представляет систему сбора данных (рисунок 6). Это дельта-сигма АЦП с высокой разрешающей способностью и малым потреблением. MAX1400 содержит на борту аналоговый мультиплексор, программируемый малошумящий усилитель (PGA), источник тока для детектирования неисправности первичного преобразователя, ЦАП для формирования смещения входного сигнала, цифровой фильтр.

Рис. 6. Структурная схема MAX1400

Интегральные системы сбора данных

Самым удобным и надежным решением является использование готовой интегральной системы сбора данных на одном кристалле (см. таблицу 4). Например, MAX1358B - это интеллектуальная ССД с богатым набором периферии. Устройство содержит 16 разрядный АЦП, ЦАП, операционные усилители, систему ИОН, часы реального времени, модуль портов ввода/вывода, модуль генератора прерываний. Наличие двух 10-канальных аналоговых мультиплексоров и программируемого усилителя позволяет построить готовую систему сбора данных без использования внешних аналоговых компонентов. Управление всеми периферийными модулями осуществляется посредством интерфейсов SPI^TM/QSPI^TM или MICROWIRE^TM.

Говоря о готовых системах сбора данных, нельзя не упомянуть о семействе 78М66хх. Эти системы на кристалле предназначены для измерения потребления по электросетям. Устройства содержат все необходимые периферийные модули для реализации задач такого рода. Стоит отметить то, что если метрологические характеристики и быстродействие данного семейства позволяют, его можно использовать как систему сбора данных на одной микросхеме. 76M6618 содержит 21-битный дельта-сигма АЦП, встроенный ИОН, датчик температуры. Встроенное процессорное ядро 8051 позволяет реализовать сбор и первоначальную обработку непосредственно на одном кристалле.

Заключение

В данной статье приведена лишь небольшая часть компонентов, на которых можно реализовать системы сбора данных. Набор компонентов, выпускаемых для каждого узла, намного больше, и выбирать компонент для реализации того или иного узла необходимо, опираясь на технические требования, предъявляемые к проектируемой системе сбора данных.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]