Büyük ölçekli endüstriyel izlemede, doğru ve güvenilir veri toplama talebi fabrikalar, rafineriler ve güç santralleri operasyonlarını sayısallaştırır. Analog-to-Dijital kanallar (ADCs) fiziksel sensörler ve dijital kontrol sistemleri arasındaki kritik köprüyü sağlar, sürekli analog sinyalleri dönüştürür - sıcaklık, basınç, titreşim ve akış gibi - işlenebilirlik sistemi, analiz edilebilir ve depolamak için uzun süre boyunca ölçeklenebilirlik sağlar.

ADCs'in Büyük Endüstri İzlemedeki Rolü

Endüstriyel izleme sistemleri, analog gerilim veya mevcut sinyalleri fiziksel fenomenlere doğru çeviren geniş bir dizi sensöre güveniyor. ADCs bu sinyalleri dijital kelimelere dönüştürür, alan programlanabilir kapı dizileri (FPGAs), veya endüstriyel PC'ler, bu dönüşüm kalitesini doğrudan doğru etkileyebilir - ancak sadece ADC çözümsüz bakım algoritmalarının etkinliğini korur.

Endüstriyel İzleme için Anahtar ADC Parametreleri

Endüstriyel kullanım için ADC seçme veya tasarlamadan önce, mühendisler birkaç kritik parametreyi değerlendirmelidir:

  • [FONT=0)Resolution[[DÜDÜT:1) – genellikle küçük sinyal varyasyonlarının en küçük tespit edilebilir değişimini belirler, giriş sinyalinde en düşük emisyonlu değişiklikler yapar.En endüstriyel sensörler (örneğin, 4-20 mA döngüler, termo çiftleri, su hatları), 12 ila 24 bitleri ortaktır.
  • [FONTD:0)Sampling Rate[[Dönetici:0)) - ikinci başına dönüşüm sayısı (İkinci olarak SPS) Yavaş yavaş sıcaklık gibi farklı parametreler için, ikinci başına birkaç örnek yeterli olabilir; vibrasyon izleme veya elektrik ölçümleri için, kilohertz'da megahertz aralığındaki fiyatlar gereklidir.
  • [FONT:0)Signal-to-Noise Oranı (SNR)[DÜDÜT:1) ve [[Dönderlik Sayısı (ENOB)) - bu ölçümler, düşük maliyetli ADC'nin gerçek gürültü performansının yüksek nominal bir çözümü olabilir, ancak iç gürültü nedeniyle, doğrusal olmayanlık veya jitter nedeniyle fakir ENOB'ye sahip olabilir.
  • [FONT=0)Input Range[[Dönetici:0)[Dönetici:0))) - ADC'nin yüklenmesi, 0-10 V veya 4-20 mA aralığında birçok endüstriyel sensörler çıktı sinyalleri kabul edebilir.
  • [FONT=0)Power tüketim[[DÜT:1) - özellikle kablosuz veya akü-güçlü sensör düğümleri için kritik.In teld systems, güç dağılımı hala önemli çünkü bu, muhafazalarda ısıyı etkiler ve güç malzemelerinin büyüklüğüne etkiler.
  • [FONT=0) Sıcaklık Aralığı Harekâtı[[Döntgen: 1) Endüstriyel ortamlar genellikle -40 °C veya daha geniş. ADCs, aktif soğutma gerektirmeden bu aşırılıkta belirtilen performansı sürdürmeli.

Maliyetli ADC Çözümlerinin Gelişinde Zorluklar

Bütçede kalan tüm teknik gereklilikleri karşılayan bir ADC alt sistemi oluşturmak, ilgili çeşitli zorlukları sabote eder:

  • [FONT:0) Değerleme ile doğruyu ifade etmek [Dönetici: 1) Yüksek çözünürlüklü, düşük çözünürlük ADCs (e.g., 24bit delta-sigma dönüştürücüler) özellikle büyük miktarlarda, mühendisler için en az kabul edilebilir ENOB'yi tanımlamak gerekir.
  • [FONT:0) Sert ortamlarda güvenilirlik [DÜDÜT:1] - Endüstriyel siteler elektronikleri elektrik gürültü, sıcaklık salımı, nem, vibrasyon ve koratif gazlar ortaya çıkarır. Maliyet- etkisiz ADCs sağlam koruma özellikleri (örneğin, aşırı yükleme, elektrostatik deşarj koruması ve galvanic izolasyon) aşırı bileşen maliyeti eklemeden içerir.
  • [FONT:0) Büyük ağ için güç tüketiminin azaltılması[Dönetici: 1 ) – Tek bir node sadece miliwatt tüketebilir, ancak binlerce düğümler kilovatlar çizebilir. Düşük güç bütçeleri güç dağıtım altyapısının boyutunu ve maliyetini azaltır ve enerji hasat veya batarya operasyonunu sağlar.
  • [FONT:0) Genişleme sistemleri için ölçeklenebilirlik () - Fabrikalar zamanla daha fazla sensörler eklendiğinde, ADC çözümü tüm sinyal zincirini yeniden tasarlarken kolayca çoğaltılmalıdır. Bu genellikle modüler tasarımları veya standart ADC modüllerini tercih eder.
  • [FONT:0) Elektromanyetik müdahale (EMI)) - Motorlar, sürücüler ve anahtarlama güç malzemeleri güçlü EMI. Cost- effective ADC tasarımları, sinyal bütünlüğünü korumak için dikkatli bir şekilde yapılandırmaya ve korumaya ihtiyaç duyar, bu da başlangıçtan planlanmamışsa yönetim alanını artırabilir.
  • [FONT:0) Tedarik zinciri yeteneğe sahip olmak[[Döneticileri 1 ) – Low-cost ADC bileşenleri birden fazla kaynağa veya alternatif ayak izi olabilir, esnek PCB tasarımları yeniden birleştirmeksizin yedekler için gerektirir.

Maliyet-Effective Development için Stratejiler

Mühendisler, performansları korumak için geniş ölçekli endüstriyel izlemede ADC mülkiyetinin toplam maliyetini yükseltmek için kanıtlanmış stratejileri bir paketini kabul edebilir. Aşağıdaki alt bölümler ayrıntılı anahtar yaklaşımlar.

Tümleşik ADC Modülleri ve Akıllı Paketler

Tamamen entegre ADC modüller, iç gerilim referansları, saat osilatörler, PGA'lar, dijital filtreler ve seri arabirimler fatura azaltıcıları (BOM) say, PCB alanı ve tasarım zamanı. Örneğin, [[DFLT:0)S124S08 Texas Instruments) ile bir araya gelir, 24bit delta-sigma ADC, PGA, referanslar ve sıcaklık sensörü, çok kanallık için - çok yönlü sıcaklık veya basınç izleme için.

Her Uygulama için Sampling Oranları ve Çözümü

Oversampling genellikle birkaç saniye boyunca karar geliştirmek için kullanılır, ancak 1-10 SPS'nin örnekleme oranı, ADC'nin örnekleme oranına tam olarak ihtiyaç duyulan 20 kSPS veya daha yüksek bir filtreye kadar, esnek bir örnekleme süresine sahip ADC'yi seçin.For temperature ölçümler için birkaç saniye boyunca, 1-10 SPS'in örnekleme oranı yeterlidir.In vibrasyon analizi için ADC'nin 10 kHz'ye kadar, 20 kSPS veya daha yüksek oranda istenen bir filtre ile yapılır.

Implement Low-Power Design Techniques

Güç dağılımı birkaç mimari seçimle en azalabilir:

  • [FONT:0) Başarıyla ilgili olarak, ADCs [Dönetici: 1-20 arası) ve birkaç megahertz altında örnekleme oranlarının altında örnekleme oranları ve hatta mikrowattlar genellikle perwattlar veya hatta mikrowattlar kullanılır, onları akü veya döngü güçlü verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici verici vericiler için ideal kılar.
  • [FONT:0)İşletme görevi ve güç azaltma modları[[Dönetici:0) - Birçok modern ADCs, dönüşümler arasında otomatik güç azaltımı içerir.Mevcut tüketim aralığı üzerinden, ölçüm görevi döngüsü düşük olduğunda ortalama güç azaltılabilir.
  • [FONT:0) Düşük gerilim ADCs[[Dönetici: 1 ) 5 V veya 3.3 V yerine, yüksek gerilim rayları sensör excitation için gerekliyse etkin DC-DC dönüştürücüler kullanın.
  • [FONT:0)Integrate kablosuz bağlantı[[DÜT:1], inşa edilmiş bir radyo içeren bir ADC ile birlikte – büyük ölçekli kablo ağları için, Ethernet (PoE) veya alanbus gücü üzerindeki güç de optimize edilebilir.

Dijital Kalibrasyon ve Compensation

ultra-precision analog bileşenleri kullanmak yerine, maliyet-aktif tasarımlar, ADC'nin mütevazi özellikleri olduğunda dijital kalibrasyona güvenebilir. Bu yaklaşım, yüksek çözünürlükte küçük bir miktar daha düşük BOM maliyeti için - bu ölçekler boyunca iyi bir şekilde ayarlandığında daha iyi bir şekilde yükseltilebilir.

Kitlesel Üretim ve Standartlaştırılmış Modülleri Kullanın

İzleme sistemi yüzlerce veya binlerce aynı ADC kanalı gerektirdiğinde, özel tasarım ekonomik olmayabilir. Bunun yerine, mühendisler tek bir sağlam depolama modülleri (örneğin, [[Dönetici:0NI CompactDAQ) veya benzer endüstriyel bloklar) kullanarak, ADC, izolasyon ve tek bir sabit depolama biriminde iletişimin tamamını kullanarak, tüm özel bir gömülü tasarıma sahip olan tasarruflar, gelişim zamanında tasarruflar, test ve sertifikasyon genellikle küçük araç-tavre üretim için dengeyi bozabilir.

Ucuz ama Etkili Analog Front-Bitişleri ile Signal Durumlandırması için Tasarım

Birçok endüstriyel ölçümde, sensör çıktısı, ADC'ye ulaşmadan önce amplitüdünikasyona ve seviyeye ihtiyaç duyar. Düşük maliyetli operasyonel yükselteç (örneğin, 0,0) TLV9002[Dönlendirme) daha düşük maliyetli ve raylı sistemlerle karşılaştırıldığında, yüksek bant genişliğine kıyasla maliyet azaltılabilir.

Endüstri ADC'lerde Gelişen Teknolojiler ve Trendler

Yarı iletken üretim ve devre tasarımındaki birkaç yeni ilerleme, maliyetle etkisiz ADC'ler her zamankinden daha yetenekli hale getiriyor. Mühendisler yeni izleme dağıtımlarında onları kullanmak için bu eğilimler hakkında bilgi sahibi olmalıdır.

Sigma-Delta ADCs with Higher Order Modulation and Digital Decimation

Sigma-delta dönüştürücüler geleneksel olarak yüksek çözünürlüklü (16-24 bit) ve düşük maliyetli cihazlar için (Dönetici) dörtlü hız uygulamaları kullanır. Modern uygulamalar, dördüncü veya beşinci sıralı modüller ile birlikte dijital deimasyon filtreleri ile birlikte, 20 bit kanaldan daha fazla kanalda kanal başına maliyetle elde edebilir.Forvision-delta speed applications.The Skillly tools.The Skillly pricings and Texas Instruments now offer multi-channel sigma-delta ADCs with bütünleşik PGA and reference that cost under the amount under the distributed value to trade rate for solution.

SAR ADCs with Improv Performance and Lower Power

Başarıyla ilgili olarak ADC'ler, 10 milyondan az miktarda MSPS'yi aşan örnekleme oranları ile 16-18 bitleri için gelişmiştir.Bu dönüştürücüler daha küçük proses geometrilerinden ve kapasitör-DAC eşleştirme tekniklerinden yararlanırlar.Fort, yüksek hızlı bir titreşim analizi veya geçici yakalama gibi uygulamalar için, sadece 1.5 mW ve maliyetlerde daha pahalı olan eski boru hatları mimarisine sahiptir.

Dijital Interfaces, Maliyetleri azaltır

Endüstriyel izleme genellikle, sensör ön uçları ile galvanic izolasyon gerektirir ve kontrol sistemi zemin döngülere ve yüksek gerilim geçicilerine karşı koruma sağlar. Geleneksel analog izolasyon yükselteçleri, dijital seri arayüzleri ile dijital çıktı (SPI, I2C, veya Manchester kodlanmış veriler) düşük devre dışı kalanlar (örneğin, düşük devre dışı kalanlar için) ile devre dışı bırakılırsa (örneğin,) otomatik olarak otomatik olarak devre dışı bırakılanlar (C) devre dışı bırakılır.

Kablosuz ADC Enerji Hasat ile

Büyük ölçekli çevresel izleme (örneğin, petrol alanlarında, boru hatları veya tarım ayarlarında), telli altyapı yasaklanmış durumda. Kablosuz ADC düğümleri ultra güç gücü ADC (sub-1 mW aktif) mikro kontroller ile, RF transceivers ve enerji toplayıcıları ile birlikte (piezoelektrik, termoelektrik veya fotovoltaik) otomatik olarak yüksek bir bakım için yüklenebilir.

Vaka Çalışması: Akıllı Fabrika Titreşim İzleme Sisteminde Maliyet Etkili ADC Uygulama

Yukarıdaki stratejilerin nasıl bir araya geldiğini göstermek için gerçek dünya senaryosu düşünün: Sistem, konveyör sistemleri üzerinde vibatör sensörleri ekleyerek montaj hattını modernize eder. Hedef, dengesizlik ve aşınmanın erken tespiti, 14 bit etkili bir kararla kanal başına 2 kSPS'yi gerektirir. Sistem kontrol cihazına kadar her sensör düğümü kullanarak Ethernet üzerinde paylaşılan bir merkezi kontrol kontrol cihazı kullanır.

Tasarım Kararları

  • [FOC seçimi[[Dönetici:0)) [Dönetici: 1] [Dönetici:2)) · 200 kSPS ile birlikte, düşük gücü (4 mW 2.5 V) ve küçük bir paket (MSOP-8) her bir düğümün kompakt IP67 muhafazasında evlenmiş olmasına izin verdi.
  • [FONT:0)Signal koşul[[[Dönetici:0)[[Dönerli))[0]- Her bzoelektrikli bir hız testi (kücreometre 1 kHz) anti-aptan filtre olarak hizmet edilen 0-2.5 V aralığına dönüştürüldü.
  • [FONT:0]Isolation[[Dönetici:0)[Dönetici] – ADC'den dijital SPI çıktı düşük maliyetli bir dijital isolator (ISO7240) kontrol cihazına geçti, pahalı analogları ortadan kaldırmak.
  • [FONT:0)Power – Her sensör hiçbirinde basit bir lineer düzenleyici kullanarak 24 V DC döngüsünden daha az performans gösteren, toplam 20 mA'dan daha az performans gösteren özel bir soğutma gerektirmedi.
  • [FONT:0]Calibration[Dönetici: 1 ) – Tek nokta kazanç ve denge kalibrasyonu, bilinen 1 kHz sine dalgası kullanarak, taşınabilir sinyal jeneratörü kullanılarak komisyonlamada yapıldı.

Sonuçlar ve Tasarrufları

Kanal başına toplam BOM yaklaşık 12 $ (ADC dahil), fabrikanın yeniden tasarlanmadığı 50 sensör, kablo ve muhafaza) ile karşılaştırıldığında, eşdeğer bir ticari veri satın alma modülü için 50 $ 'a kıyasla, 200'den fazla kanalda tasarruf, 3600 $ 'dan fazla doğrudan malzemeye ulaştı. Dahası, modüler tasarım, tüm operasyonel hedeflerin 50'ye kadar tekrar eklenmesine izin verdi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Büyük ölçekli endüstriyel izleme için maliyet etkin ADC çözümleri, en düşük fiyat için performanstan ödün vermekle ilgili değildir - uygulamanın gerçek gereksinimlerine uygun akıllı ticaret yapma, ve modüler bina blokları ile ilgili olarak, daha yüksek siparişler ve güç, mühendisler uygun mimarileri seçebilirler (SAR, sigma-delta veya bütünleme modülleri) ve dünya çapındaki düşük maliyetli bir şekilde tasarım stratejilerinin elde edilmesi gibi tasarım stratejileri uygulamaktadır.