Projekt referencyjny układu wejść-wyjść analogowych

Aplikacja firmy ADI koncentruje się na zademonstrowaniu procesu rozwojowego systemu PLC/DCS sterowanego urządzeniem nadrzędnym Modbus i ukazaniem sposobu wykorzystania najnowszych funkcji kluczowych komponentów. System jednowęzłowy zwykle nazywa się sterownikiem PLC, natomiast większe systemy często noszą nazwę DCS. Każdy węzeł może sterować maksymalnie 16 analogowymi urządzeniami polowymi, czujnikami lub aktuatorami, które są adresowalnymi przetwornikami zdalnymi zgodnymi z HART lub tylko analogowymi, a systemy mogą być rozbudowywane nawet do wielkości 16 indywidualnych węzłów. System może być również wykorzystywany w ogólnych zastosowaniach precyzyjnej akwizycji danych analogowych pochodzących np. z przyrządów, analogowych rejestratorów danych lub sprzętu probierczego i pomiarowego.

Płytka wejść analogowych
CN-0414 została zaprojektowana do pomiaru czterech w pełni różnicowych lub ośmiu jednostronnych sygnałów napięcia oraz czterech sygnałów prądu. Sercem obwodu jest niskoszumowy 24-bitowy konwerter analogowo-cyfrowy (ADC) Σ-Δ AD4111 o niskiej mocy ze zintegrowanymi analogowymi układami interfejsowymi ±10V i 20mA. Wejścia napięciowe obsługują zakres wejściowy do ±10V. Układ AD4111 zawiera unikalną funkcję wykrywania przerwanych przewodów na wejściach napięciowych ±10V podczas pracy przy pojedynczym zasilaniu 5V lub 3,3V. Dotychczasowe rozwiązania wymagały zwykle zasilania powyżej ±10V.

Wejścia prądowe obsługują zakres wejściowy od 0mA do 24mA. Impedancja wejściowa obwodu wynosi 250Ω (60Ω wewnątrz AD4111), przy wszystkich wejściach połączonych z izolowaną masą odniesienia. Impedancja wejściowa 250Ω na wejściach prądowych jest niezbędna, aby umożliwić współpracę zgodnego z HART modemu AD5700-1 z układem AD4111.

Analogowy układ interfejsowy obwodu, układ AD4111, oraz układ AD5700-1 są odizolowane od strony przetwarzania za pośrednictwem układów ADuM5411 i ADuM3151, co zapewnia znaczne oszczędności miejsca w porównaniu z rozwiązaniami bazującymi na przekładnikach dyskretnych. Płytka CN-0414 jest zasilana napięciem od 9,5V₌ do 36V₌, co jest typowe dla systemów automatyki przemysłowej. Ułatwia to klientom zastosowanie omawianego rozwiązania w istniejących systemach starszego typu.

Płytka wyjść analogowych
CN-0418 jest czterokanałową płytką wyjść napięciowych i prądowych opartą na przetworniku cyfrowo-analogowym (DAC) AD5755-1 z dynamicznym sterowaniem mocą. Obwód ten zapewnia wyjścia prądowe 4mA - 20mA oraz unipolarne lub bipolarne wyjścia napięciowe (±10V). Płytka zawiera również modem HART AD5700-1 i tworzy pełne rozwiązanie wyjść analogowych z łącznością HART. Zapewniono również zewnętrzne obwody zabezpieczenia przed przebiegami przejściowymi, co jest ważne w zastosowaniach w surowych warunkach środowisk przemysłowych.

Wyjścia prądowe i napięciowe są dostępne na oddzielnych wtykach, ale tylko jedno z nich jest w danym momencie aktywne. Pozwala to na złączenie obydwu wtyków wyjściowych ze sobą i podłączenie do pojedynczego zacisku. Wyjścia analogowe posiadają zabezpieczenia przed zwarciem i przerwą w obwodzie. Układ AD5755-1 zawiera zintegrowane dynamiczne zarządzanie mocą z wykorzystaniem obwodu podwyższającej napięcie przetwornicy prądu stałego, co redukuje zużycie energii w trybie wyjść prądowych. Występują cztery wtyki CHART odpowiadające każdemu z czterech kanałów wyjściowych. Sygnał HART może być sprzęgnięty z tymi wtykami i pojawić się na odpowiednim wyjściu, jeżeli jest ono włączone.

Płytka nadajniko-odbiornika RS-485
CN-0416 jest płytką izolowanego i nieizolowanego nadajniko-odbiornika RS-485, która pozwala na łatwą implementację przesyłu danych pomiędzy wieloma systemami lub węzłami, szczególnie na duże odległości. W obwodzie wykorzystano nadajniko-odbiornik RS-485 ADM2682E do komunikacji izolowanej oraz LTC2865 dla komunikacji nieizolowanej RS-485. Obydwie opcje mogą być skonfigurowane do pracy pełnodupleksowej jak i półdupleksowej oraz do działania z otwartymi lub zakończonymi liniami przesyłu danych. Płytka układu posiada gniazda RJ-45, które pozwalają stosować zwykłe kable CAT5 Ethernet i umożliwiają szybkie fizyczne połączenie węzłów. Rezystancja zakończeniowa jest domyślnie ustawiana na impedancję charakterystyczną kabla CAT5 wynoszącą 100Ω, jednak może zostać skonfigurowana do obsługi standardowej impedancji kabla RS-485 równej 120Ω.

Układ ADM2682E zapewnia prędkość danych do 16Mbps i posiada w pełni bezpieczne wejścia odbiornika z regulowaną wartością progową napięcia różnicowego. Zapewnia on izolację sygnału 5kV z użyciem kanału danych iCoupler oraz izolację zasilania 5kV z użyciem wbudowanej przetwornicy prądu stałego isoPower. Układ LTC2865 zapewnia prędkość danych do 20Mbps i posiada w pełni bezpieczne wejścia. Wewnętrzny komparator okienkowy ustala stan bezpieczny bez potrzeby regulacji wartości progowych różnicowego napięcia wejściowego.