軟件可配置的模擬I?O助力更緊湊更方便的校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)

Konrad Scheuer 和 Sean Long

工業(yè)模擬I?O模塊用于和工廠內(nèi)的傳感器、執(zhí)行器之間實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、低電平的電壓信號(hào)與電流信號(hào)的收發(fā)。同所有電子器件一樣，長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)使用和不斷變化的環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致其性能下降，因此需要對(duì)其進(jìn)行定期校準(zhǔn)以確保其能夠按照既定標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)運(yùn)行。

事實(shí)上，對(duì)于許多行業(yè)來說（例如制藥），對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)是一項(xiàng)制度性要求。訓(xùn)練有素的技術(shù)人員需要訪問裝有I?O模塊的接線柜，以執(zhí)行校準(zhǔn)程序并記錄結(jié)果。校準(zhǔn)過程中需要使用的多種儀器（信號(hào)源和儀表）往往很笨重，難以運(yùn)輸和同步操作。對(duì)此，我們將在本文中回顧這些校準(zhǔn)設(shè)備的典型用例及其特性規(guī)格，同時(shí)介紹我們的新解決方案的特性。該參考設(shè)計(jì)基于軟件可配置模擬(SWIO) IC，在提供現(xiàn)有功能和性能的基礎(chǔ)上可成為新一代超輕便攜校準(zhǔn)器產(chǎn)品的標(biāo)桿。

校準(zhǔn)設(shè)備

要對(duì)I?O模塊中所有類型的通道進(jìn)行校準(zhǔn)，需要使用電壓源和電壓表（量程通常為±10 V）、電流源和電流表（量程通常為±20 mA）、以及信號(hào)源。該信號(hào)源用于模擬測(cè)量I?O通道溫度的各類熱電偶和RTD (PT100?PT1000)的輸出電壓。由于這些儀器的功能各不相同，技術(shù)人員需要將多件設(shè)備運(yùn)輸?shù)浇泳€柜以進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然市面上也有具備所有這些功能的精密儀器，但它們往往價(jià)格高、尺寸大、重量重，嚴(yán)重限制了這些設(shè)備的便攜性。

圖 3. MAXREFDES183 精密校準(zhǔn)器

其尺寸為220 mm × 173 mm × 320 mm，重達(dá)5.7 kg，精度為0.02%滿量程范圍(FSR)。

更緊湊的校準(zhǔn)器

如圖3所示，參考設(shè)計(jì) MAXREFDES183是一款可用軟件配置的電池供電的精密校準(zhǔn)器，與常見的工業(yè)模擬輸入輸出以及電壓電流范圍兼容。該參考設(shè)計(jì)還提供以下功能：

精密模擬電壓輸出，±10 V（+25%超量程）

精密模擬電流輸出，±20 mA（+25%超量程）

精密模擬電壓輸入，±10 V（+25%超量程）

精密模擬電流輸入，±20 mA（+25%超量程）

精密溫度測(cè)量（外置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，這款參考設(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#的功能框圖如圖4所示。

特性

參考設(shè)計(jì)MAXREFDES183基于可用軟件配置的工業(yè)級(jí)模擬I?O MAX22000，可用于測(cè)量電壓和電流，并帶有用于測(cè)量溫度的輔助輸入引腳（用于連接至TC和RTD）。該IC內(nèi)置快速建立的18位DAC和24位Σ-Δ型ADC，使用溫漂為5 ppm?°C的高度穩(wěn)定內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，在25°C時(shí)誤差小于0.01%。IC的線性范圍為標(biāo)稱范圍的105%，而滿量程范圍為標(biāo)稱范圍的125%。（例如，對(duì)于±10 V的標(biāo)稱范圍，線性范圍和滿量程范圍分別為±10.5 V和±12.5 V。）IC內(nèi)置低噪聲PGA，具有高低兩種電壓輸入范圍，以支持ADC對(duì)RTD和TC的測(cè)量。IC通過高速SPI總線進(jìn)行配置和通信，采用2.7 V至3.6 V的模擬和數(shù)字電源供電、以及高達(dá)±24 V的高壓電源供電。IC為64引腳LGA封裝，可在-40°C至+125°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作。該參考設(shè)計(jì)還使用 MAX32625，這是一款超低功耗Arm? Cortex?-M4微控制器，具有512 kB的閃存和160 kB的SRAM，通過SPI接口連接到MAX22000。MAX32625的UART接口連接到板載USB橋接器(FT234XD)和收發(fā)器對(duì)，用于觸屏顯示。用戶可通過Nextion NX4024K032 3.2'' 400 × 240像素彩色觸屏顯示器進(jìn)行控制和接收反饋。

熱穩(wěn)定性

正如人們對(duì)高性能測(cè)量?jī)x器的期望，MAXREFDES183整合了多種設(shè)計(jì)技術(shù)以最大限度地提高熱性能，并改善校準(zhǔn)器的整體準(zhǔn)確度和整體穩(wěn)定性。參考設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控功能由兩個(gè)低功耗I2C溫度傳感器 MAX31875實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)傳感器靠近MAX22000放置，而另一個(gè)傳感器靠近源端放置，這使得我們可以對(duì)端子之間的電壓梯度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該傳感器在0°C至70°C之間具有±1°C的準(zhǔn)確度。50 Ω電阻用于設(shè)置I?O電流，具有高準(zhǔn)確度（0.1%容差）和高溫度穩(wěn)定性（0.2 ppm?°C）。此外，四個(gè)由FET驅(qū)動(dòng)的加熱電阻靠近MAX22000放置，以便在測(cè)量之前設(shè)置和穩(wěn)定環(huán)境溫度。為了進(jìn)一步提高熱穩(wěn)定性，參考設(shè)計(jì)使用一個(gè)小金屬外殼（面積大約為1平方英寸）來覆蓋MAX22000及與其鄰近的溫度傳感器IC和加熱電阻。

電源管理

校準(zhǔn)器由兩個(gè)3.6 V 3500 mAh的鋰電池供電。電量計(jì) MAX17320用于監(jiān)控和管理電池狀態(tài)，包括電壓、電流和溫度，并使用外部高邊FET來防止過壓?欠壓、過流、短路、過冷?過熱、過充電和內(nèi)部自放電。IC內(nèi)置的充電規(guī)程確保電池在安全條件下運(yùn)行，從而延長(zhǎng)電池在兩次充電之間的使用時(shí)間。IC會(huì)對(duì)電池老化情況、溫度和放電速率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，在各種工作條件下能準(zhǔn)確提供電池的充電狀態(tài)（以毫安時(shí)mAh或百分比%顯示）。IC外接熱敏電阻用于測(cè)量電池溫度。反激式轉(zhuǎn)換器 MAX17498將標(biāo)稱5V的USB電壓提升至標(biāo)稱7.2V的電池組電壓，從而為眾多DC-DC轉(zhuǎn)換器提供電壓輸入，生成為其他器件供電電源軌。MAXREFDES183功耗為110 mA（典型值），在電池充電周期之間正常使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)31小時(shí)。

圖 4. MAXREFDES183 精密校準(zhǔn)器的功能框圖

高準(zhǔn)確度

圖5為-20°C和+70°C之間的I?O電壓和電流的測(cè)量結(jié)果，表明參考設(shè)計(jì)在 25°C（室溫）時(shí)的誤差在0.01% FSR以內(nèi)。

穩(wěn)定性

工作溫度范圍內(nèi)的高準(zhǔn)確度固然重要，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，它們?cè)诠潭囟认隆⒃谳^長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)表現(xiàn)出的高度可重復(fù)性也很重要。圖6顯示MAXREFDES183具有±4 ppm的精度（漂移）。其中，參考設(shè)計(jì)被配置為電壓模式下的5 V模擬輸出，記錄設(shè)備為National Instruments的7.5位數(shù)字萬用表PXIe 1073，測(cè)試環(huán)境溫度為25°C，記錄時(shí)間為7天（168小時(shí)），記錄間隔為15分鐘。

圖 6. MAXREFDES183 模擬輸出電壓的穩(wěn)定性（漂移）

校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)

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)燒錄的校準(zhǔn)程序，它向用戶清楚地說明了應(yīng)如何連接外部?jī)x表和信號(hào)源。同時(shí)，該程序可向用戶提供反饋，并解釋結(jié)果是否在可接受的范圍內(nèi)。

結(jié)論

參考設(shè)計(jì)MAXREFDES183精密校準(zhǔn)器為一種輕巧、超便攜、電池供電的校準(zhǔn)器，其功能、性能和準(zhǔn)確度可媲美更大、更重、更昂貴的解決方案。其潛在應(yīng)用包括：實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的校準(zhǔn)、工業(yè)控制設(shè)備的調(diào)整、智能傳感器和執(zhí)行器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷