軟件可配置的模擬I/O預(yù)示著校準(zhǔn)器更緊湊、更方便

作者：Konrad ScheuerandSean Long

介紹

工業(yè)模擬 I/O 模塊用于向位于工廠車間的傳感器和執(zhí)行器發(fā)送和接收精確的低電平電壓和電流信號(hào)。與所有電子設(shè)備一樣，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用和不斷變化的環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致其性能下降，這意味著必須定期校準(zhǔn)以確保它們繼續(xù)按照預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。

事實(shí)上，在許多行業(yè)（例如制藥）中，定期校準(zhǔn)是一項(xiàng)法規(guī)要求，需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員訪問(wèn)裝有 I/O 模塊的接線柜，以執(zhí)行校準(zhǔn)程序并記錄結(jié)果。這需要各種儀器（源和儀表），這些儀器有時(shí)既重又笨重，無(wú)法同時(shí)運(yùn)輸和操作。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們回顧了此類校準(zhǔn)設(shè)備的典型示例的功能和規(guī)格。然后，我們考慮基于軟件可配置模擬（SWIO）IC的新參考設(shè)計(jì)的特性，該參考設(shè)計(jì)可能為新一代超便攜輕量級(jí)校準(zhǔn)器設(shè)定基準(zhǔn)，這些校準(zhǔn)器仍能提供現(xiàn)有產(chǎn)品的功能和性能。

校準(zhǔn)設(shè)備

校準(zhǔn)I/O模塊中的所有通道類型需要電壓源和儀表（通?！?0 V范圍）、電流源和儀表（通?！?0 mA范圍）以及可以模擬I/O通道測(cè)量溫度所使用的不同類型的熱電偶和RTD（PT100/PT1000）的電壓輸出的源。根據(jù)可用儀器的功能，有時(shí)可能需要技術(shù)人員將幾件設(shè)備運(yùn)送到接線柜?？梢允褂冒泄δ艿木軆x器，但它們價(jià)格昂貴，尺寸大，并且重量限制了其便攜性。

圖2顯示了包含這些功能的典型校準(zhǔn)儀器。尺寸為 220 毫米× 173 毫米× 320 毫米，重 5。7 kg，精度在 0.02% 滿量程范圍 （FSR） 以內(nèi)。

更緊湊的校準(zhǔn)器

MAXREFDES183參考設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）是一款軟件可配置的電池供電精密校準(zhǔn)器，兼容常見(jiàn)的工業(yè)模擬輸入和輸出以及電壓和電流范圍。它還提供以下功能：

精密模擬電壓輸出，±10 V （+25% 在整個(gè)范圍內(nèi)）

精密模擬電流輸出，±20 mA （+25% 在整個(gè)量程范圍內(nèi)）

精密模擬電壓輸入，±10 V （+25% 在整個(gè)量程范圍內(nèi)）

精密模擬電流輸入，±20 mA （+25% 在整個(gè)范圍內(nèi)）

精密溫度測(cè)量（外部PT100/PT1000/K型熱電偶）

精密溫度模擬器

與笨重的臺(tái)式校準(zhǔn)器相比，該參考設(shè)計(jì)校準(zhǔn)器的尺寸僅為 108 mm × 83 mm × 36 mm，重量?jī)H為 283 g。

MAXREFDES183的功能圖如圖4所示。

特征

MAXREFDES183基于MAX22000，MAX22000是一款軟件可配置的工業(yè)級(jí)模擬I/O，可通過(guò)額外的輸入測(cè)量溫度（TC和RTD）來(lái)測(cè)量電壓和電流。該IC具有一個(gè)快速建立的18位DAC和一個(gè)24位Σ-Δ型ADC，每個(gè)ADC均使用穩(wěn)定的5 ppm/°C內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，在25°C時(shí)精度在0.01%以內(nèi)。 線性范圍設(shè)置為 105%，而滿量程范圍設(shè)置為標(biāo)稱范圍的 125%（例如，標(biāo)稱范圍分別為 ±10.5 V 和 ±12.5 V±10 V），而低噪聲板載 PGA 具有高壓和低壓輸入范圍，以支持 ADC 的 RTD 和 TC 測(cè)量。IC使用高速SPI總線進(jìn)行配置，該總線還傳輸轉(zhuǎn)換結(jié)果。該器件采用2.7 V至3.6 V模擬和數(shù)字電源以及高達(dá)±24 V高壓電源供電，采用64引腳LGA封裝，工作溫度范圍為–40°C至+125°C工業(yè)溫度范圍。參考設(shè)計(jì)還具有MAX32625，這是一款超低功耗Arm Cortex-M4微控制器，具有512 kB閃存和160 kB SRAM，通過(guò)SPI與MAX22000接口。它具有連接到板載USB橋接器（FT234XD）的UART接口和用于觸摸屏顯示器的接收器/發(fā)射器對(duì)。Nextion NX4024K032 3.2“ 400 × 240 像素彩色觸摸屏顯示器可實(shí)現(xiàn)用戶控制和反饋。??

熱穩(wěn)定性

正如高性能測(cè)量?jī)x器所期望的那樣，MAXREFDES183采用了多種設(shè)計(jì)技術(shù)，以最大限度地提高熱性能并提高校準(zhǔn)器的整體精度和穩(wěn)定性。溫度監(jiān)控由兩個(gè)低功耗I實(shí)例提供2C溫度傳感器MAX31875，在0°C至70°C之間具有±1°C的高精度。 其中一個(gè)IC靠近MAX22000放置，另一個(gè)靠近源端放置。這樣就可以對(duì)端子之間的電壓梯度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。選擇50 Ω電阻（用于設(shè)置I/O電流）具有高精度（0.1%容差）和溫度穩(wěn)定性（0.2 ppm/°C）。此外，四個(gè)FET驅(qū)動(dòng)的加熱電阻位于MAX22000附近，允許在進(jìn)行測(cè)量之前設(shè)置和穩(wěn)定環(huán)境溫度。為了增加熱穩(wěn)定性，MAX22000采用小型金屬外殼（面積約1平方英寸）及其本地溫度傳感器IC和加熱電阻。

電源管理

校準(zhǔn)器由兩節(jié) 3.6 V、3500 mAh 容量鋰離子電池供電。MAX17320電量計(jì)監(jiān)測(cè)和管理電池狀態(tài)，包括電壓、電流和溫度，并利用外部高邊FET防止過(guò)壓/欠壓、過(guò)流、短路、極端溫度、過(guò)充電和內(nèi)部自放電。充電處方可確保電池在安全條件下運(yùn)行，延長(zhǎng)充電之間的使用壽命。該 IC 可自動(dòng)補(bǔ)償電池老化、溫度和放電速率，并在各種工作條件下以毫安小時(shí) （mAh） 或百分比 （%） 為單位提供準(zhǔn)確的充電狀態(tài)。熱敏電阻用于測(cè)量電池溫度。MAX17498反激式轉(zhuǎn)換器將USB電壓（標(biāo)稱值為5 V）升壓至電池組電壓（標(biāo)稱值為7.2 V），為多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器提供電壓輸入，產(chǎn)生為其他元件供電所需的電壓軌。MAXREFDES183 的功耗為 110 mA（典型值），在電池充電周期之間提供長(zhǎng)達(dá) 31 小時(shí)的正常使用時(shí)間。

圖4.MAXREFDES183精密校驗(yàn)儀的功能圖。

高精度

圖5顯示了在–20°C至+70°C溫度下記錄的電壓和電流I/O測(cè)量結(jié)果，表明參考設(shè)計(jì)在25°C（室溫）下的精度在0.01% FSR以內(nèi)。

穩(wěn)定性

雖然溫度范圍內(nèi)的精度很重要，但校準(zhǔn)設(shè)備通常在溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中使用（和存儲(chǔ)）。因此，同樣重要的是，它們?cè)诠潭囟认略诟L(zhǎng)的時(shí)間間隔內(nèi)表現(xiàn)出高度的可重復(fù)性。圖 6 顯示 了 MAXREFDES183 在 電壓 模式下 配置 為 5 V 模擬 輸出 時(shí)的 ± ppm 精度（漂移），使用 NI PXIe 1073 DMM（7.5 位），環(huán)境溫度為 25°C。

圖5.MAXREFDES183 的電壓和電流精度范圍為 –20°C 至 +70°C。

圖6.MAXREFDES183的模擬輸出電壓穩(wěn)定性（漂移）。

校準(zhǔn)校準(zhǔn)器

即使是精密校準(zhǔn)器也需要定期校準(zhǔn)。MAXREFDES183包括一個(gè)預(yù)編程的校準(zhǔn)程序，向用戶清楚地解釋了如何連接外部?jī)x表和電源，并向用戶提供反饋，解釋結(jié)果以確定它們是否在可接受的范圍內(nèi)。

可以下載MAXREFDES183# 3D打印機(jī)文件，為校準(zhǔn)器創(chuàng)建外殼。

結(jié)論

MAXREFDES183精密校準(zhǔn)器參考設(shè)計(jì)展示了一款輕量級(jí)、超便攜、電池供電的校準(zhǔn)器，其功能、性能和精度是更大、更重、更昂貴的解決方案。基于此設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的潛在應(yīng)用包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)備校準(zhǔn)、工業(yè)控制設(shè)備的調(diào)整以及智能傳感器和執(zhí)行器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷