10. Tarjeta analógica multipropósito

Transcripción

1 10. Tarjeta analógica multipropósito Características Esta tarjeta se ha diseñado con el fin de ofrecer una solución completa a aplicaciones donde se requieran entradas y salidas analógicas, donde no sea necesario tener tantos bits de resolución como en las tarjetas analógicas que ya hemos descrito. También hemos buscado que la transferencia de datos se realice a través del bus I2C Permite ampliar el sistema con 8 entradas analógicas de 12 bits: Entrada de tensión: Rango 0/5 V Rango -5/+5 V Rango 0/10 V Rango -10/+10V Entrada de corriente compatible a 2 hilos, 3 hilos y 4 hilos: Rango 0/20mA Rango 4/20mA También añade dos salidas analógicas de 8 bits: Salida de tensión: Rango 0/5 V Rango -5/+5 V Rango 0/10 V Rango -10/+10V Salida de corriente compatible a 2 hilos, 3 hilos y 4 hilos: Rango 0/20mA Rango 4/20mA Página 133 de 245

2 El tipo y rango de las señales de entrada se configura de forma independiente mediante software. La entrada de corriente supone una carga equivalente de 250 Ω. Para las salidas analógicas, la tensión de alimentación del lazo de corriente es por defecto 15V, lo cual permite alimentar cargas de hasta 300 Ω. En caso de que se requiera conectar cargas mayores, se puede alimentar el bucle con una tensión de alimentación exterior de hasta 32 V. El transmisor por tanto se clasifica como tipo H o como tipo U en el caso de usar alimentación externa. También presenta una salida de tensión de 15V para alimentar sensores o actuadores externos, siempre tomando precauciones de no exceder la potencia máxima capaz de proporcionar la tarjeta de alimentación. Toda la transmisión de datos se realiza a través del bus I2C. Figura 144: Esquema general Página 134 de 245

3 Figura 145: Perspectiva general Entradas analógicas Conversor analógico-digital. MAX127 Las salidas analógicas se obtienen a partir de un convertidor analógico-digital (ADC) Debemos buscar un convertidor que se adapte a nuestras necesidades. El principal criterio de búsqueda es que el convertidor se fabrique en encapsulado DIP y que la transmisión de datos sea por I2C. Tras realizar una búsqueda en los principales fabricantes, el integrado de mayor resolución que cumple los criterios de búsqueda es el MAX 127. Se trata de un convertidor de 12 bits y 8 canales que sólo requiere 5V de alimentación para su funcionamiento. Su uso es muy sencillo, ya que presenta integrado un multiplexor y toda la circuiteria encargada de adaptar y acondicionar las señales de entrada, de forma que cada uno de los canales acepta señales de un amplio abanico de rangos, configurables independientemente por software: 0/5V -5/+5V Página 135 de 245

4 0/10V -10/+10V Las entradas se encuentran protegidas para sobretensiones de +/-20V. Figura 146: MAX127 Hemos empleado una referencia de tensión externa a fin de garantizar buenas prestaciones. Este aspecto no es tan crítico como en las otras tarjetas analógicas de mayor resolución. En concreto hemos escogido el LT1019 por tener muy buenas características y poder obtener muestras gratuitas del fabricante Adaptación de señales Debido a que el propio convertidor presenta todo el circuito de adaptación de señales, simplemente indicaremos que para las entradas del bucle de corriente, dedicaremos dos entradas de las 8 disponibles. Para ello realizaremos una conversión corrientetensión con el mismo circuito descrito en la sección Salidas analógicas Conversor digital-analógico. MAX519 Las salidas analógicas se obtienen a partir de un convertidor digital-analógico (DAC). Debemos buscar un convertidor que se adapte a nuestras necesidades. El principal criterio de búsqueda es que el convertidor se fabrique en encapsulado DIP y que la transmisión de datos sea por I2C. Tras realizar una búsqueda en los principales fabricantes, sólo obtenemos algunos resultados del fabricante MAXIM y con sólo 8 bits de resolución. Página 136 de 245

5 Elegimos el integrado MAX519, ya que ofrece dos salidas analógicas en un mismo integrado y es muy fácil de operar. Otra ventaja es que sólo requiere 5V de alimentación para su funcionamiento. Figura 147: Esquema interno MAX519 Debido a la poca resolución que requiere este convertidor, en principio no sería necesaria una referencia de tensión externa, y podríamos emplear la propia alimentación del circuito. Sin embargo, hemos empleado una referencia de tensión a fin de garantizar buenas prestaciones. En concreto hemos escogido el LT1019 por tener muy buenas características y poder obtener muestras gratuitas del fabricante. Sin embargo, como presentan encapsulados compatibles pin a pin, siempre se puede realizar el cambio por una referencia de mejores características Adaptación de señales El rango de las señales de salida del convertidor varía entre 0 V y la tensión de referencia (5V). Debemos adaptar los señales a los requisitos de nuestro sistema: 0/5V -5/+5V 0/10V -10/+10V Página 137 de 245

6 Para ello recurrimos al siguiente circuito: Figura 148: Adaptación de señales Esta formado por una primera etapa, que consiste en un amplificador no inversor. Elegimos el valor de las resistencias para amplificar la señal al rango 0-10V: G=1+ R2 =2 R1 R 1= R 2=100 K Ω La segunda etapa corresponde a un amplificador diferencial cuya respuesta: V out = V ent R 4 ( R 6+ R5 ) R 5V 6 R 5 ( R3 + R 4) R5 Si Vent=0V Vout=-10V R6 =2 R5 Si Vent=10V R 6=100 K Ω R 5=50 K Ω Vout=10V R 4 ( R 6+ R 5) =2 R 5 ( R3 +R 4 ) 3 R 4 =2 R 3+ R 4 R 4 =2 R3 R 4 =100 K Ω R 3=50 K Ω Mediante jumpers, seleccionamos la salida deseada Conversión tensión-corriente Para obtener la salida de coririente, emplearemos el mismo convertidor tensióncorriente correspondiente a la sección 8.3, donde detallamos el funcionamiento del circuito y sus características. Página 138 de 245

7 10.4. Protocolo de comunicación La operación de esta tarjeta es muy sencilla. Desde el punto de vista de la tarjeta de control cada convertidor es un dispositivo con una dirección independiente en el bus I 2C. A fin de garantizar la compatibilidad del mayor número de dispositivos esclavo, se ha colocado un microswitch para poder configurar la dirección: Figura 149: Dirección dispositivos esclavo Entradas analógicas Cada vez que se desee realizar una conversión, se debe mandar un byte de control en el que se indican una serie de parámetros, como el canal que se quiere adquirir, el rango de la señal de entrada... Figura 150: Configuración e inicio de conversión Figura 151: Byte de control Página 139 de 245

8 Los bits SELx indican que canal queremos adquirir. Los bits RNG y BP seleccionan el rango de entrada y los bits PDx establecen el modo de funcionamiento del convertidor. El tiempo de conversión es de 10 us aproximádamente. Una vez terminada, podemos obtener el dato adquirido leyendo dos bytes del convertidor. Los 4 últimos bits se llenan con ceros. Figura 152: Lectura MAX Salidas analógicas Cada vez que se desee actualizar el estado de una salida analógica, debemos establecer una transmisión I2C en modo escritura, donde se manda un byte de control y a continuación el byte de datos. El byte de control permite poner el convertidor en modo bajo consumo y seleccionar sobre que canal vamos a modificar el valor de su salida. Página 140 de 245

9 Figura 153: Byte de control R2, R1, R0: Reservado RST: Colocar a 1 para resetear el convertidor. PD: Modo bajo consumo. Colocar este bit a 1 para llevar al convertidor a modo de bajo consumo. Colocar a 0 para volver a operar con normalidad. A0: Determina que canal queremos modificar. Figura 154: Operacion sobre una salida analógica Página 141 de 245