ב ניטור תעשייתי בקנה מידה גדול, הביקוש לאיסוף נתונים מדויק ואמינה ממשיך לגדול כמו מפעלים, זיכוכים, תחנות כוח דיגיטציה את הפעולות שלהם. Analog-to-Digital Converters (ADCs) משמש גשר קריטי בין חיישנים פיזיים ומערכות בקרה דיגיטליות, שינוי אותות אנלוגיים מתמשך - כגון טמפרטורה, לחץ, רטט וזרימה - כדי לבודד ערכים משפטיים שיכולים להיות מעובדים, לנתח את רמות העיצוביות גבוהות של מערכת הפעלה.

תפקידה של ADCs ב-Scale Industrial Monitoring

מערכות ניטור תעשייתיות מסתמכות על מגוון רחב של חיישנים המייצרים מתח אנלוגי או אותות נוכחיים ביחס לתופעות פיזיות. ADCs להמיר אותות אלה למילים דיגיטליות שמיקרובקרים, מערך השערים הניתנים לחיזוי (FPGAs), או מחשבי מחשב תעשייתי יכולים לפרש.איכות ההמרה הזו משפיעה ישירות על דיוק המדידות, זמן של החלטות בקרה, ואת יעילות התחזוקה הצפויה במאות אלגוריתמים, אך ורק להפחתה משמעותית של פתרונות לחיסכון ברזולוציה נמוכה, אם נדרשה, או ירידה של תקציבית, או ירידה משמעותית, אם יש צורך במהירויות של אלגוריתמים, או ירידה של אלגוריתמים, אם יש צורך של אלגוריתמים, אם יש צורך ברזולוציה של אלגוריתמים, רק להפחתה משמעותית של אלגוריתמים, או ירידה משמעותית של אלגוריתמים, או ירידה של אלגוריתמים, או ירידה של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים, רק לחיסכון של אלגוריתמים, או ירידה משמעותית של אלגוריתמים של אלגוריתמים, אם יש צורך במהירויות של אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים, רק להפחתה משמעותית של אלגוריתמים, אם יש צורך ברזולוציה של אלגוריתמים של אלגוריתמים, רק להפחתה משמעותית של אלגוריתמים,

ADC Parameters for Industrial Monitoring

לפני בחירת או תכנון ADC לשימוש תעשייתי, מהנדסים חייבים להעריך כמה פרמטרים קריטיים:

  • (FLT:0)ResolutionveFLT:1) - בדרך כלל נמדד ב ביטים, קובע את השינוי הקטן ביותר בסימן הקלט. עבור רוב החיישנים התעשייתיים (למשל, 4-20 מ"א לולאות, thermocouples, מדחות), 12 עד 24 ביטים הם נפוצים.רזולוציה גבוהה יותר מאפשרת אפליה טובה יותר של אותות קטנים אבל לעתים קרובות מגיע עם המרה איטית יותר צריכת חשמל גבוהה יותר.
  • (FLT:0)Sampling RateFLT:1 - מספר המרות לשנייה (מדגם לשנייה, SPS) עבור פרמטרים משתנים לאט לאט, כמה דגימות לשנייה יכול מספיק; עבור ניטור רטט או מדידות חשמל, שיעורי הקילורץ למגוון מגה-הרץ הם הכרחיים.
  • (ב) [ה][דרוש מקור]] [ה]] [ה]] [ה]] [ה][דרוש מקור]]] [ה[[המאה ה-20]]] ו[ה[[1924]]]]], ו[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (FLT:0) Input RangeFLT:1 - המתח אורך ADC יכול לקבל. חיישנים תעשייתיים רבים אותות פלט בטווח של 0-10 V או 4-20 mA (המונע למתח באמצעות התנגדות מדויקת). ADCs עם מגברי תוכנה מאומנים (PGAs) יכולים להכיל מספר רב של טווחים ללא הפרעה חיצונית.
  • (FLT:0) Power ConventFLT:1 - במיוחד קריטי בבלוטות חיישן אלחוטי או מופעל סוללות. עבור מערכות חוט, פיזור חשמל עדיין משנה כי זה משפיע על בניית חום במכלאות ואת פיזור של כוח.
  • (FLT:0) טמפרטורות טווח טווח הטמפרטורות של 1FLT (הסביבות התעשייתיות לעתים קרובות משתרעות על -40 מעלות צלזיוס ל- +85 ° C או רחב יותר. ADCs חייב לשמור על ביצועים מוגדרים לאורך קיצוניות אלה מבלי לדרוש קירור פעיל.

אתגרים בפיתוח פתרונות ADC

יצירת תת-מערכת ADC העומדת בכל הדרישות הטכניות תוך שמירה על תקציב כוללת מספר אתגרים הקשורים:

  • (FLT:0) דיוק של צריכת יתרות ל-1; High-resolution, ADCs (למשל, מתמרים של 24bit delta-sigma) יקרים, במיוחד בכמויות גדולות.מהנדסים חייבים לזהות את ENOB המינימלי לכל ערוץ מדידה כדי להימנע מעודף.
  • (FLT:0) הבטחת אמינות בסביבות קשות FLT:1) - אתרים תעשייתיים לחשוף אלקטרוניקה לרעש חשמלי, תנודות טמפרטורה, לחות, רטט, גזים קורוזיים. ADCs זול חייב לשלב תכונות הגנה חזקות (למשל, overvoltage clamping, הגנה על פריקה אלקטרוסטטית, בידוד גליוני) ללא תוספת של עלויות רכיב יתר.
  • (FLT:0) צמצום צריכת החשמל עבור רשתות גדולות של 1FLT: צומת יחיד יכול לצרוך רק מילימטרים, אבל אלפי צמתים שואבים קילווואט.
  • (FLT:0) דרוג יכולת הרחבה של מערכות הרחבת למערכות ההרחבה של LT:1) - כמו מפעלים מוסיפים יותר חיישנים לאורך זמן, הפתרון של ADC חייב להיות משוכפל בקלות מבלי לעצב מחדש את שרשרת האותות כולה.זה לעתים קרובות מעדיף עיצובים מודולריים או מודולים ADC סטנדרטיים.
  • (FLT:0)ניהול התערבות אלקטרומגנטית (EMI)FIRLT:1) - מוטורס, דחף והחלפת ציוד כוח לייצר עיצובים EMI. Cost-יעילות ADC זקוקים לפריסה זהירה, סינון ומגן לשמירה על שלמות האות, אשר יכול להגדיל את אזור הדירקטוריון ואת ספירת הרכיב אם לא מתוכנן מראש.
  • (FLT:0) התמודדות עם שרשרת האספקה VariabilityFLT:1) - מרכיבים ADC זולים עשויים להיות מקורות מרובים או טביעת רגל חלופית, הדורשים עיצובים גמישים של PCB כדי להתאים תחליף ללא איחוד.

אסטרטגיות לפיתוח עלות-אוויר

מהנדסים יכולים לאמץ חבילה של אסטרטגיות מוכחות כדי להפיל את העלות הכוללת של בעלות ADC ניטור תעשייתי בקנה מידה גדול תוך שמירה על ביצועים.

מינוף של מודולים ADC משולבים וממירים חכמים

מלא מודולים ADC המשולבים הכוללים אזכורים פנימיים של מתח, אוספי שעון, PGAs, סינון דיגיטלי וממשקים סידוריים להפחית את ה-p-of-חומרים (BOM) ספירה, אזור PCB וזמן עיצוב.לדוגמה, התקני RTFLT:0ADS124S08 מטקסס InstrumentsFLT:1 משלבים באופן משמעותי 24bit deltasma, PGA, התייחסות לטמפרטורה של 2D2D.

אופטימיזציה של שיעורי ה-Sampling ופתרון לכל יישום

Oversampling משמש לעתים קרובות כדי לשפר את ההחלטה באמצעות averaging, אבל זה לצרוך כוח נוסף רוחב פס נתונים. גישה טובה יותר היא להתאים את קצב הדגימה של ADC בדיוק לרכיב התדירות הגבוה ביותר של האות, עבור קריטריון Nyquist. עבור מדידות טמפרטורה עם זמן קבוע של כמה שניות, שיעור דגימה של 1-10S הוא מספיק עבור ניתוח עד 10 מעלות צלזיוס נמוך יותר, 000 יכול להיות מופחתת לחץ דם נמוך יותר.

יישום שיטות עיצוב בעלות כוח נמוך

ניתן למזער את הניתוק בכוח באמצעות מספר אפשרויות אדריכליות:

  • (FLT:0)Use Successive-approximation-register (SAR) ADCsssph1 לרזולוציה מתונה (עד 16-18 ביטים) ושיעורי דגימה מתחת למספר מגה-הרץ. SARers בדרך כלל לצרוך מילימטרים או אפילו מיקרו-וואט בעמיד, מה שהופך אותם אידיאליים עבור סוללות או משדרים מופעלים.
  • (FLT:0) המעסיקים חובה מחזור ועוצמה לאחור מודמנטיםFLT:1 - רבים מודרניים ADCs כוללים ירידה אוטומטית כוח בין המרות.על ידי מתן צריכת הנוכחית על פני מרווח ההמרות, את הכוח הממוצע ניתן להפחית על ידי פקודות של גודל כאשר מחזור האחריות מדידה הוא נמוך.
  • (FLT:0Select נמוך-voltage ADCscioFLT:1) פועל ב 1.8 V או 3.3 V במקום 5 V, ולהשתמש בהמירים DC-DC יעילים אם יש צורך במסילות מתח גבוהות יותר עבור צבירת חיישן.
  • (FLT:0) אינטגרטיבי קישוריות אלחוטית של ADC הכוללת רדיו מובנה - למרות שרשתות חוט גדולות, כוח על Ethernet (PoE) או כוח שדהבוס יכול להיות גם אופטימיזציה.

אימוץ דיגיטציה דיגיטלית ומילוי

במקום להשתמש במרכיבים אנלוגיים אולטרה-תחומיים, עיצובים יעילים יכולים להסתמך על קלקולציה דיגיטלית כדי לתקן את ההתחלה, רווח, שגיאות ליניאריות. הרבה דלה-sigma ADCs כוללים על מנועי calibration שבבים שבבים באופן אוטומטי להתאים את האפקטיביות במהלך ההפעלה או במרווחים קבועים.

שימוש ב-Mass Production and Standardמודולs

כאשר מערכת ניטור של ה-PC דורשת מאות או אלפי ערוצי ADC זהים, עיצוב מותאם אישית לא יכול להיות חסכוני.במקום, מהנדסים צריכים לשקול שימוש במודולים של רכישת נתונים מחוץ ל- מדף (למשל, FLT:0NI קומפקטיתDAQFLT:1 או יחידות תעשייתיות דומות) אשר מחלחלים להפחתה של אספקת אותות, ADC, בידוד ותקשורת בתוך מתחם מחוספס, למרות שעלות גבוהה יותר מאשר יחידות סטנדרטיות, עיצוב, לעתים קרובות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות סטנדרטיות, עלות, עלות גבוהה יותר מאשר עלות, עלות, עלות, עלות, עלות, עלות גבוהה יותר מאשר עלות, עלות, עיצוב אחידות, על ידי עיבוד של מספר פעמים רבות של ציוד סטנדרטית של ציוד סטנדרטית של ציוד סטנדרטית של ציוד סטנדרטית של ציוד סטנדרטית של ציוד סטנדרטית, על ידי תכנון, על ידי חסכונית, על ידי מחסנית, על ידי מחסנית של ציוד סטנדרטית, על ידי מחסנית, על ידי רכישה אחידה, על ידי תכנון, על ידי חסכון קבוע, על ידי שיפור עצמי, לעתים קרובות, על ידי מחסנית,

עיצוב ל-Des Conditioning with זול אך יעיל Analog Front-Ends

במידות תעשייתיות רבות, פלט החיישן צריך הדגימה, סינון ורמת שינוי לפני ההגעה ADC.שימוש במגבר תפעולי בעלות נמוכה (למשל, FLT:0TLV9002FLT:1) עם מספיק רוחב פס ותפוקה אוטומטית לרכבת יכול להפחית את העלות בהשוואה לדגמי דיוק.

טכנולוגיות מתפתחות ומגמות ב-ADCs תעשייתי

כמה התקדמות לאחרונה בייצור למחצה ועיצוב מעגלים הם עושה ADCs יעיל יותר מאשר אי פעם מהנדסים צריכים להישאר מעודכן על מגמות אלה כדי לנצל אותם בפריסה חדשה ניטור.

Sigma-Delta ADCs עם סדר גבוה יותר Modulation ו- Digital Decimation

מתגי מהירות Sigma-delta היו בדרך כלל הבחירה עבור רזולוציה גבוהה (16–24 ביטים) ויישומים מהירים ל-medium מהירות יישומים מודרניים להשתמש במודולטורים הרביעי או החמישיים בשילוב עם מסננים דיגיטליים של decimation שיכול להשיג ENOB מעל 20 ביטים אפילו עם מעצבי רזולוציה נמוכה יחסית.

SAR ADCs עם ביצועים משופרים וכוח נמוך

מחיאות כפיים (ADCs) רשמה את ADCs התקדמו ל-16-18 ביט עם שיעורי דגימה מעל 10 MSPS תוך צריכת פחות מ -10 mW. הממירים האלה נהנים מתהליכים קטנים יותר ו- capacitor-DAC תואם טכניקות. עבור יישומים כגון ניתוח רטט מהיר או לכידת טראנסט בבקרת איכות כוח, SAR ADCs יעיל עכשיו אדריכלות יריבה יותר כי הם 188 $ 1R.

טבלאות דיגיטליות מפחיתות את עלויות ההחלמה

ניטור תעשייתי לעתים קרובות דורש בידוד גליוני בין חזית החיישן לבין מערכת הבקרה כדי להגן מפני לולאות קרקע וטראנסים בעלי מתח גבוה.מגברי בידוד אנלוגיים מסורתיים הם רבים ויקרים. Newer ADCs עם ממשקים סידוריים דיגיטליים (SPI, I2C, או מנצ'סטר-קוד נתונים) מאפשרים שימוש בממריצים דיגיטליים זולים (למשל, FLTRE) עם מספר מוגבל של אחסון אחד (D) על גבי מספר אחד (או 1-ACM) על גבי מספר אחד של נתונים בודד) על גבי מספר אחד (או על גבי מספר מוגבל ל-R2C) על גבי מספר מוגבל של מספר מוגבל) על גבי מספר מוגבל של 1 (או על גבי מספר מוגבל של 1 (או על גבי מספר אחד) על גבי מספר קטן של 1 (או על גבי מספר מוגבל של נתונים בודדים) על גבי מספר בודד) על גבי מספר בודד) על גבי מספר בודד (או על גבי מספר בודד) על גבי מספר בודד (או על גבי מספר מוגבל של נתונים חד-ידי ALT) של נתונים חד-ידי ADC) כדי להפחית את מספר מוגבל של נתונים על גבי מספר מוגבל של פחות על גבי מספר מוגבל של 1 (או על גבי מספר בודד) על גבי מספר אחד (או על גבי מספר אחד

ADC Nodes with Energy Harvesting

עבור ניטור סביבתי בקנה מידה גדול (למשל, בשדות הנפט, צינורות או הגדרות חקלאיות), תשתיות חוטות הוא יקר באופן בלתי חוקי. ADC nodes אלחוטי משלבות ADCs אולטרה-נמוך (sub-1 mWfit) עם מיקרובקרים קיימים, RF Transceivers (דלקים חשמליים, תרמואלקטריים, או פוטו-וולטאניים) כמו MC-1 מ"מ-1"מ) עם עלויות אחסון אלחוטיות נמוכות יותר מאשר GHz (pvD) עם עלויות דלקות אלחוטיות (D) עם עלויות משולבות) עם GHz (D) עם עלויות GHz (D) ו-R) עם עלויות משולבות (DLCDLCDMAF10D) עם עלויות GHz (D) עם עלויות משולבות) נמוך יותר מאשר GHz (S) עם עלויות משולבות אוטומטיות של ציוד ניקוי אלחוטיות) עם עלויות GHz (סימולציות אלחוטיות (סימולציות אלחוטיות) נמוך יותר מאשר מחסניות (סימולציות אלחוטיות) עם עלויות דלקות (סימולציות אלחוטיות) עם עלויות משולבות (סימולציות אלחוטיות) באופן דרמטי יותר מאשר מחסניות (סימולציות אלחוטיות) עם עלויות GHz) עם עלויות מחסניות אוטומטיות (סימולטריטוריות (סימולציות

מקרה מחקר: ADC יישום של מערכת ניטור במפעל חכם ויברציה

כדי להמחיש כיצד אסטרטגיות לעיל מתלכדות, לשקול תרחיש של עולם אמיתי: יצרן רב לאומי מודרניזציה קו הייצור שלה על ידי הוספת חיישנים רטט ל -200 נושאי דיור על מערכות העברה.המטרה היא גילוי מוקדם של חוסר איזון ולבוש, הדורש שיעור דגימה של 2 kSPS לערוץ עם החלטה יעילה של 14 סיביות.המערכת משתמשת בקר משותף על פני Ethernet, עם כל חיישן ממוקם עד 100 mr מהבקר.

החלטות עיצוב

  • (ב) (ב-FLT:0) בחירה של SAR ADC (כגון:2ADS8325veFLT 3: 3 עם 200 kSPS) נבחר הכוח הנמוך שלו (4 מ' ב 2.5 V) וחבילה קטנה (MSOP-8) מאפשר לכל אחד מהם להיות שוכנו ב- IP67 קומפקטי.
  • (FLT:0) הפך ל- 0-2.5 V באמצעות מעגל פשוט ללא דגימה עם מגבר חד פעמי (±5 V) הומר ל- 0-2.5 V באמצעות מעגל פשוט המונע מ-או-אמפ עם מגבר חד-פעמי (TLV9002). מסנן פסיבי אחר של RC נמוך (cut 1Hz) שימש כממסננים חד-מדומים לפילטרים.
  • (FLT:0)IsolationFLT:1 - הפלט הדיגיטלי של ADC הועבר באמצעות מתווך דיגיטלי בעלות נמוכה (ISO7240) לבקר, חיסול של מברשות אנלוגיים יקרים.
  • (FLT:0)PowerveFLT:1) - כל חיישן נודה היה מופעל מלולאה 24 V DC באמצעות הרגולטור ליניארי פשוט, ציור פחות מ 20 mA סך הכל.
  • (FLT:0)CalibrationFLT:1 - רווח חד-פעמי ו calibration מלמטה בוצעה על ידי שימוש בגל חטא של 1 kHz ממכשיר אותות נייד.

תוצאות וחיסכון

העלות הכוללת של BOM לערוץ הייתה בערך 12 דולר (כולל ADC, מתווך, תצלום, פסיבי, מחבר, ומסגר), בהשוואה ל-30 דולר עבור מודול רכישה מסחרי שווה ערך של יותר מ-200 ערוצים, החיסכון עלה עלה עלה עלה על 3,600 דולר בחומרים ישירים יותר, העיצוב המודולארי אפשר למפעל להוסיף עוד 50 חיישנים ללא כל תיקון מחדש - רק שכפול של לוח ה-ההוכחה ו-180 מעלות צלזיוס השיגו דיוק מלא (%) בין טווח זמן ל- 26%) ל- 2 מעלות צלזיוס) עלהמידה תפעולית') עלהמידה מלאה של משקל מלא של משקל (C) עלהמידה תפעולית') עלהמידה של משקל של 50 מעלות צלזיוס) על פני 50 ± 26% של משקל מלא של משקל (% -2 מעלות צלזיוס) עלהמידה תפעולית') עלהמידה תפעולית') על פני 50 חודשים לאחר מכן, לעומת 50 מעלות צלזיוס) של כל אמצעי מדידה מלאה של רמת דיוק מלא של משקל בינוני של כל אמצעי מדידה של משקל תפעולית של משקל תפעולית של 50 חודשים לאחר מכן, לעומת 50 חודשים לאחר מכן, לעומת 50 חודשים לאחר מכן, לעומת 50 שנה.

מסקנה

פיתוח פתרונות ADC יעילים לניטור תעשייתי בקנה מידה גדול אינו על ביצוע מקרי מוות במחיר הנמוך ביותר - זה על ביצוע פעולות סחר חכמות שמתאימות לדרישות האמיתיות של היישום.על ידי הבנת הפרמטרים המרכזיים של החלטה, מהירות, רעש וכוח, מהנדסים יכולים לבחור ארכיטקטורות אלחוטיות מתאימות (SAR, sigma-delta, או משולב) וליישם אסטרטגיות עיצוב כגון סגסוגת דיגיטלית, אופטימיזציה של ציוד חכם יותר, כמו תחליפים של ציוד תעשייתי נמוך יותר.