MAX12900 4-20mA變送器的校準(zhǔn)方法詳解

　　MAX12900是一款超低功耗，高集成度的4-20mA傳感器變送器，該器件采用PWM輸入來調(diào)整環(huán)路電流，可以省去傳統(tǒng)方案中用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC，兩路PWM輸入分別用于粗調(diào)和細(xì)調(diào)，可以實現(xiàn)高達(dá)16位的電流分辨率，器件內(nèi)部的低溫漂模塊可以確保在整個工作溫度范圍具有非常低的溫漂，因此利用MAX12900實現(xiàn)的解決方案具有超高的電流輸出精度以及超低的溫度飄移。由于系統(tǒng)采用環(huán)路供電，MAX12900的片上LDO還可以為外部的低功耗處理器供電，這樣就會導(dǎo)致系統(tǒng)的初始電流無法確定，另外，外圍元件的選擇也會影響系統(tǒng)施加電流的精度，因此，在系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保環(huán)路輸出電流的精度。

　　PWM發(fā)生器

　　目前市場上流行的各種處理器都帶有定時器（計數(shù)器）可以用來產(chǎn)生PWM波形輸出，PWM有兩個重要的參數(shù)：PWM頻率和PWM占空比，定時器對輸入的時鐘信號（fclk）進(jìn)行計數(shù)來產(chǎn)生PWM信號的頻率，器件內(nèi)部有專門的寄存器（F_counter）來設(shè)置計數(shù)值以確定PWM頻率，同時還有一個寄存器（duty_cycle_counter）用來設(shè)置PWM占空比， 當(dāng)定時器（計數(shù)器）值小于duty_cycle_counter設(shè)置值時，PWM輸出電平保持不變，當(dāng)定時器（計數(shù)器）值等于duty_cycle_counter的設(shè)置值時，PWM輸出電平改變，直到定時器（計數(shù)器）值達(dá)到f_counter的設(shè)置值之前，輸出電平保持不變，因此PWM信號的輸出頻率和PWM占空比可以表示為

　　當(dāng)duty_cycle_counter設(shè)置值在0至F_counter之間變化時，可以產(chǎn)生0%至100%占空比的PWM信號，當(dāng)占空比為100%時，將產(chǎn)生對應(yīng)于PWM信號高電平的DC電壓。MAX12900內(nèi)部的PWM調(diào)理器將處理器發(fā)送的PWM信號轉(zhuǎn)換成高電平為基準(zhǔn)電壓的PWM信號，這樣就減輕了對處理器端PWM信號電平的要求，然后通過低通濾波器可以將PWM信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的DC電壓值，控制環(huán)路變送器的電流輸出。

　　PWM輸入轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出

　　圖1. MAX12900 PWM至DC輸出轉(zhuǎn)換器

　　圖1為PWM到直流輸入的轉(zhuǎn)換電路，關(guān)于該電路的工作原理以及公式的推導(dǎo)，請參考MAX12900數(shù)據(jù)手冊以及MAXREFDES1161#數(shù)據(jù)手冊，下面用到的公式都可以從MAXREFDES1161#數(shù)據(jù)手冊中找到。

　　在圖1中，OP1運(yùn)算放大器和外圍電阻電容構(gòu)成反向低通濾波器，將兩路PWM輸入信號轉(zhuǎn)換成Voutop1直流輸出， 輸入到R17和R18的PWM信號高電平為基準(zhǔn)電壓，低電平為0，按照MAXREFDES1161#中選擇的電阻值（R17=R15=22.6k?，R18=1.5M?，R13=R14=294k?），在不考慮電阻誤差的情況下，Voutop1的電壓值可以按照下面的公式進(jìn)行計算：

　　這里，DutyCycleA 和DutyCycleB分別為輸入的PWM占空比，由于濾波器為反向低通濾波器，所以在占空比為100%時，輸出電壓最?。ǔ想娔J(rèn)狀態(tài)外，在實際應(yīng)用中不能將PWMA和PWMB同時設(shè)置為100%），為了方便說明并且和MAX12900評估板軟件對應(yīng)起來，我們可以定義：

　　這樣，公式就可以寫為：

　　PWM占空比與環(huán)路電流的關(guān)系

　　電流環(huán)路原理圖如圖2所示，電流環(huán)路的輸出電流可以用下式來表示：

　　同樣，在不考慮電阻誤差的情況下，利用MAXREFDES1161#中選擇的電阻值 （R24=100k?，R12=1M?，R9=24.9k?，R6=24.9?），該公式可以寫為：

　　從該公式可以看出，當(dāng)PWMB的占空比為50%時，環(huán)路電流是由PWMA來確定的。由于外部電阻的精度誤差以及放大器的失調(diào)電壓等都會對環(huán)路電流的輸出引入誤差，從公式可以看出，能夠調(diào)整的只有PWMA和PWMB的占空比，因此可以修正PWMA和PWMB占空比的增益誤差和失調(diào)誤差來實現(xiàn)對輸出電流的校準(zhǔn)，假設(shè)PWMA的修正后增益為K1，失調(diào)為b1，PWMB的修正后增益為K2，失調(diào)為b2， 那么最終的計算公式應(yīng)為：

　　當(dāng)設(shè)置不同占空比的PWMA和PWMB時可以得到不同的環(huán)路電流輸出，通過4個不同的環(huán)路電流輸出值，就可以計算出增益和失調(diào)，實現(xiàn)對MAX12900輸出電流進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　MAX12900 4-20mA變送器的校準(zhǔn)過程

　　接下來以MAX12900評估板的設(shè)置來介紹如何對MAX12900進(jìn)行校準(zhǔn)，在MAX12900評估板上采用的處理器系統(tǒng)時鐘頻率為3MHz，當(dāng)F_counter設(shè)置為256時可以產(chǎn)生11.7kHz的PWM信號，在評估板進(jìn)行校準(zhǔn)時，為簡化計算，分別設(shè)置了兩組相同PWMA占空比和兩組相同PWMB占空比的電流輸出，如下圖所示：

　　然后代入（7）可得到如下算式：（注意：評估板上的PWMB對應(yīng)于本文中的PWMA）

　　計算可以得到：K1=0.9968，K2=0.99823，b=0.003527

　　這樣就完成了對MAX12900的校準(zhǔn)。

　　如何根據(jù)預(yù)期電流計算PWM占空比

　　從上面的式7 可以看出，輸出電流是由PWMA和PWMB共同控制產(chǎn)生，PWMA用于粗調(diào)，PWMB用于細(xì)調(diào)，并且當(dāng)PWMB的占空比為50%時，輸出電流主要是由粗調(diào)來決定的，因此在計算粗調(diào)PWMA的占空比時，將PWMB的占空比先設(shè)置為50%，計算出粗調(diào)PWMA的占空比，然后根據(jù)計算出的粗調(diào)PWMA占空比再計算細(xì)調(diào)PWMB的占空比。計算PWMA時，可以根據(jù)式7得到：

　　對于當(dāng)前設(shè)計，設(shè)置PWM計數(shù)器的值和占空比的關(guān)系如下：

　　這樣就可以計算出PWMA計數(shù)器的設(shè)置值。 然后根據(jù)式7來計算細(xì)調(diào)PWMB的占空比：

　　在式10中，K1，K2和b是校準(zhǔn)得到的，RDuty CycleA是式8計算得到的。這樣就可以得到細(xì)調(diào)PWMB的占空比，同樣根據(jù)

　　就可以計算出PWMB計數(shù)器的設(shè)置值，這樣就完成了預(yù)期輸出電流的設(shè)置。

　　系統(tǒng)校準(zhǔn)后驗證輸出電流

　　在對MAXREFDES1161校準(zhǔn)后，得到相應(yīng)的K1，K2和b。然后根據(jù)預(yù)期輸出電流值用式8和式10分別計算要施加的PWM占空比，根據(jù)式9和式11得到PWM計數(shù)器的設(shè)置值，測試結(jié)果如下：

　　從以上測試結(jié)果可以看出，經(jīng)過校準(zhǔn)后的MAX12900具有非常高的輸出電流精度。

　　結(jié)論：

　　MAX12900 4-20mA變送器利用通用處理器輸出PWM信號來實現(xiàn)輸出電流的控制，可以降低系統(tǒng)的成本，同時外圍元件的精度對輸出電流的精度有很大的影響，因此在使用MAX12900時需要對其進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)具有非常高的輸出電流精度，同時可以降低對外圍元件的精度要求。