Referenzdesign für analoge E/A-Systeme

Diese Anwendung von ADI konzentriert sich auf die Demonstration der Entwicklung eines PLC/DCS-Systems, das von einem Modbus-Master gesteuert wird, und veranschaulicht, wie die neuesten Funktionen der Schlüsselkomponenten genutzt werden. Ein Einzelknotensystem wird oft als PLC bezeichnet, während ein größeres System oft als DCS bezeichnet wird. Jeder Knoten kann bis zu 16 analoge Feldgeräte, Sensoren oder Aktoren steuern, die entweder HART-kompatibel (HART = Highway Addressable Remote Transducer) oder nur analog adressierbar sind, und Systeme können auf bis zu 16 einzelne Knoten erweitert werden. Das System kann auch für allgemeine Präzisions-Datenerfassungsanwendungen, wie etwa Instrumentierung, analoge Datenprotokollierung, oder Prüf- und Messanlagen verwendet werden.

Analog-Eingangskarte
Das CN-0414 ist für die Messung von vier voll differenziellen oder acht unsymmetrischen Spannungs- und vier Stromsignalen ausgelegt. Das Herzstück der Schaltung ist ein AD4111-Analog-Digital-Wandler (ADW) mit niedrigem Stromverbrauch und geringem Rauschen (24 Bit, Σ-Δ) mit integrierten ±10-V- und 20-mA-Analog-Front-Ends. Die Spannungseingänge unterstützen einen Eingangsbereich von bis zu ±10 V. Der AD4111 verfügt über eine einzigartige Funktion, die eine Drahtbrucherkennung an ±10-V-Spannungseingängen ermöglicht, während er aus einer 5-V- oder 3,3-V-Einzelstromversorgung betrieben wird; die bisherigen Lösungen würden typischerweise eine Versorgung von mehr als ±10 V erfordern.

Die Stromeingänge unterstützen Eingangsbereiche von 0 mA bis 24 mA Die Eingangsimpedanz des Schaltkreises ist 250 Ω (60 Ω intern am AD4111), wobei alle Eingänge auf ein isoliertes Massepotenzial referenzieren. Die Eingangsimpedanz von 250 Ω an den Stromeingängen ist notwendig, damit das HART-konforme Modem AD5700-1 mit dem AD4111 zusammenarbeitet.

Das analoge Front-End der Schaltung, der AD4111 und der AD5700-1, sind von der Verarbeitungsseite durch ADuM5411 und ADuM3151 isoliert, um gegenüber Lösungen mit diskreten Transformatoren erhebliche Platzeinsparungen zu ermöglichen. Die CN-0414-Karte arbeitet mit einer 9,5-V_DC-bis-36-V_DC-Spannungsversorgung, die typisch ist für industrielle Automatisierungssysteme und ist damit für Kunden leicht in deren Systeme zu integrieren.

Analog-Ausgangskarte
Das CN-0418 ist eine vierkanaliges Spannungs- und Stromausgangskarte, die auf dem Digital-Analog-Wandler (DAW) AD5755-1 mit dynamischer Leistungsregelung basiert. Diese Schaltung bietet Stromausgänge von 4 mA bis 20 mA sowie unipolare oder bipolare Spannungsausgänge (±10 V). Die Karte enthält außerdem das HART-Modem AD5700-1 und bietet damit eine vollständige Analog-Ausgangslösung mit HART-Anbindung. Eine externe Transientenschutzschaltung ist ebenfalls enthalten, was für Anwendungen in rauen Industrieumgebungen wichtig ist.

Die Strom- und Spannungsausgänge stehen auf separaten Pins zur Verfügung, aber jeweils nur einer ist aktiv, so dass beide Ausgangspins miteinander verbunden und an einen einzigen Anschluss angeschlossen werden können. Analogausgänge sind kurzschluss- und leerlaufgeschützt. Das AD5755-1 enthält eine integrierte dynamische Leistungssteuerung unter Verwendung eines Gleichspannungsaufwärtswandler-Schaltkreises, was eine reduzierte Leistungsaufnahme im Stromausgangsmodus erlaubt. Es hat vier CHART-Pins, die jedem der vier Ausgangskanäle entsprechen. Das HART-Signal kann in diese Pins eingekoppelt werden und erscheint am entsprechenden Ausgang, wenn dieser Ausgang aktiviert ist.

RS-485-Transceiver-Karte
Die CN-0416-Karte ist eine isolierts und nicht isolierte RS-485-Transceiver-Karte, die eine einfache Implementierung der Datenübertragung zwischen mehreren Systemen oder Knoten, insbesondere über große Entfernungen, ermöglicht. Der Schaltkreis verwendet den RS-485-Transceiver ADM2682E für isolierte Kommunikation und den LTC2865 für nicht isolierte RS-485-Kommunikation. Beide können entweder für Vollduplex- oder Halbduplex-Betrieb und mit offenen oder terminierten Übertragungsleitungen konfiguriert werden. Die Schaltung verfügt über integrierte RJ-45-Buchsen, die die Verwendung gängiger CAT5-Ethernet-Kabel für eine schnelle physische Verkabelung der Knoten ermöglichen. Der Abschlusswiderstand ist standardmäßig auf die charakteristische Impedanz des CAT5-Kabels von 100 Ω eingestellt, kann aber so konfiguriert werden, dass er die standardmäßige RS-485-Kabelimpedanz von 120 Ω unterstützt.

Der ADM2682E kann Datenraten von bis zu 16 Mbit/s übertragen und hat ausfallsichere Empfängereingänge mit einer angepassten differenziellen Spannungsschwelle. Er bietet eine 5-kV-Signalisolation über den iCoupler-Datenkanal und eine 5-kV-Leistungsisolation über den integrierten Gleichspannungswandler isoPower. Der LTC2865 kann Datenraten von bis zu 20 Mbit/s übertragen und hat ausfallsichere Empfängereingänge mit einer angepassten differenziellen Spannungsschwelle. Ein interner Fenster-Komparator legt den ausfallsicheren Betriebszustand fest, ohne dass der differenzielle Eingangsspannungsschwellenwert angepasst werden muss.