Semplificare la progettazione di moduli di ingresso analogici per il controllo dei processi

Quando si progettano moduli di ingresso analogici per applicazioni di controllo dei processi, come i controllori a logica programmabile (PLC, o “Programmable Logic Controller”) o i sistemi di controllo distribuito (DCS, o “Distributed Control System”), il principale compromesso considerato riguarda solitamente il rapporto prestazioni/costi.

Introduzione

Nel contesto applicativo del controllo, per alimentare i componenti attivi di front-end utilizzati per attenuare o amplificare i segnali d’ingresso, si utilizzano tradizionalmente alimentazioni bipolari da ±15 V. Ciò influenza il costo del “Bill Of Material” (BOM), oltre ad aumentare la complessità di progetto per la creazione di alimentazioni bipolari isolate.

Per risparmiare sui costi, un approccio alternativo consiste nel progettarle con un singolo alimentatore a 5 V. Una linea d’alimentazione unica a 5 V riduce notevolmente la complessità di progetto per l’alimentazione isolata del front end analogico, ma potrebbe introdurre altri aspetti critici, portando a una soluzione con un’accuratezza di misura inferiore. L'AD4111  integra quasi tutto il necessario per effettuare misure di tensione e corrente, gestendo i limiti di una soluzione con alimentazione a 5V.

Front-end integrato

L'AD4111 è un ADC a 24 bit Σ-Δ che riduce sia i tempi di sviluppo sia i costi di progetto, implementando una catena di segnale innovativa ma semplice che, utilizzando la tecnologia iPassives™ di ADI, incorpora front-end analogico e ADC. Ciò consente all’AD4111 di gestire tensioni di ingresso di ±10 V e correnti da 0 mA a 20 mA, utilizzando un’alimentazione singola da 5 o 3,3 V, evitando la necessità di componenti esterni. Le specifiche prevedono un intervallo esteso di tensione d’ingresso di ±20 V - entro il quale il componente fornirà comunque una conversione valida - e un valore massimo assoluto di ±50 V sul pin di tensione.

Gli ingressi di corrente prevedono un intervallo compreso tra -0,5 e 24 mA, che consente misurazioni accurate di correnti prossime a 0 mA e fornisce conversioni precise fino a 24 mA. Gli ingressi di tensione dell’AD4111 hanno un'impedenza minima garantita di 1MΩ, che consente la rimozione dei buffer esterni da ±15 V, riducendo ulteriormente lo spazio necessario sulla scheda e i costi della BOM. I progetti da 5V sono limitati dal requisito di avere un partitore di tensione ad alta impedenza per ogni ingresso, che utilizza più spazio sulla scheda. La progettazione di una soluzione discreta diventa un compromesso tra costo e accuratezza delle resistenze di precisione. Per risolvere questo inconveniente, l’AD4111 incorpora un partitore di tensione ad alta impedenza e precisione per ogni ingresso, come illustrato in Figura 3.

Figura 1: Schema a blocchi dell’AD4111.

 

Rilevamento “Open Wire”

In genere, un limite dei progetti con alimentazione singola a 5V consiste nella mancanza del rilevamento della condizione di “open wire”, di solito implementata collegando una resistenza ad alta impedenza alla linea di alimentazione a 15V, per portare fuori-range la tensione di un collegamento interrotto. Tutto questo viene superato con l’AD4111, che vanta l'esclusiva capacità di rilevamento di open wire utilizzando un alimentatore da 5 o 3,3V, separando il rilevamento di open wire dalla condizione di guasto per fuori-range e semplificando ulteriormente la diagnostica. Come illustrato in Figura 2, con l’inclusione di questa caratteristica all'interno dell’AD4111 si elimina la necessità di una resistenza di pull-up sul front end, nonché quella dell’alimentatore da 15V. Eliminando quest’ultimo, si riducono complessità, ingombri ed emissioni dei circuiti di isolamento. Per applicazioni dove il rilevamento open wire non è richiesto è disponibile un’alternativa generica: l’AD4112 che, a meno di questa caratteristica, presenta comunque tutti i vantaggi dell’AD4111.

Soluzione a livello di sistema

L'integrazione di un riferimento di tensione e di un clock all’interno dell'AD4111 contribuisce a ridurre ulteriormente le dimensioni della scheda e i costi della BOM, consentendo comunque l’utilizzo di componenti esterni, qualora venga richiesta una maggiore precisione e un minore errore di conversione in temperatura. Le figure 2 e 3 mostrano rispettivamente le tipiche soluzioni high-end e low-end: in entrambe le figure sono evidenziate le parti della catena di segnale che possono essere interamente sostituite dall'AD4111.

Le specifiche di accuratezza relative all’errore totale non corretto (TUE) dell’AD4111 sono state concepite per raggiungere i requisiti a livello di sistema. Per molte soluzioni, la precisione può essere sufficiente ad evitare la necessità di ulteriori tarature. Nelle soluzioni esistenti ad elevata accuratezza, i moduli vengono spesso calibrati canale per canale. L’AD4111 è stato progettato con ingressi ad alto livello di corrispondenza per ottenere un livello di precisione simile in tutti gli ingressi, calibrandone soltanto uno.

 

 

Figura 2: Soluzione standard high-end.

 

 

Figura 3: Soluzione standard low-end.

 

Test EMC

I moduli PLC e DCS operano spesso in ambienti industriali difficili e devono quindi resistere in condizioni di interferenza elettromagnetica (EMI). Questo aggiunge un ulteriore livello di complessità alla progettazione di un modulo di ingresso EMC-compatibile, dato che la maggior parte dei dispositivi non è garantita per la compatibilità elettromagnetica, per cui progettare la protezione di ingresso e il circuito di filtraggio diventa complesso. Questo può aggiungere tempi significativamente lunghi allo sviluppo, in termini di progetto e collaudo. I laboratori EMC hanno costi di noleggio onerosi e il fallimento dei test può comportare lunghi ritardi, almeno fino alla riprogettazione e alla ripetizione dei collaudi. L'AD4111 è stato progettato su un circuito stampato (PCB) che dimostra una comprovata soluzione EMC. La scheda è stata caratterizzata per garantire che le prestazioni del circuito siano permanentemente esenti da disturbi per radiofrequenza irradiata (RF) o condotta, ed ha dimostrato di possedere un sufficiente livello di immunità alle scariche elettrostatiche (ESD), ai transienti elettrici veloci (EFT) e alle sovratensioni, secondo le normative IEC 61000-4-x. Inoltre è stato valutato per il CISPR 11, dove le emissioni irradiate dalla scheda sono risultate nettamente inferiori ai limiti della classe A. Ulteriori informazioni sulle caratteristiche EMC della scheda AD4111 si possono trovare sulla nota applicativa AN-1572. Questa nota applicativa fornisce tutte le indicazioni sulle procedure di prova utilizzate, nonché schemi e layout per progettare un modulo di ingresso EMC compatibile per l'AD41.

Conclusioni

L'AD4111 è un ADC altamente integrato, che include un ampio livello di configurabilità. La sua capacità di accettare tensioni di ingresso di ±10 V e correnti da 0 mA a 20 mA, di funzionare con un’alimentazione singola da 5 V o 3,3 V, con rilevamento open wire, unitamente a molte altre caratteristiche, fornisce una soluzione unica per la progettazione di moduli di ingresso analogici. È disponibile in package LFCSP a 40 pin di 6 × 6 mm e consente di sostituire con un unico dispositivo i moduli che un tempo richiedevano un PCB di notevole complessità.

A cura di Cathal Casey, Applications Engineer, Analog Devices, Inc.

 

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