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)
工業(yè)模擬I/O(input/output, 輸入輸出)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)、低電平的電壓信號與電流信號的收發(fā)。同所有電子器件一樣,長時(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。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202205/434274.htm圖1 一名技術(shù)人員在接線柜內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)
圖2 典型校準(zhǔn)儀器
事實(shí)上,對于許多行業(yè)來說(例如制藥),對設(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(信號源和儀表)往往很笨重,難以運(yùn)輸和同步操作。對此,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(集成電路),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。
1 校準(zhǔn)設(shè)備
要對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)以及信號源。該信號源用于模擬測量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
圖2 顯示了一臺具備所有功能的典型校準(zhǔn)儀器。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)。
2 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:
1. 精密模擬電壓輸出,±10 V(+25% 超量程);
2. 精密模擬電流輸出,±20 mA(+25% 超量程);
3. 精密模擬電壓輸入,±10 V(+25% 超量程);
4. 精密模擬電流輸入,±20 mA(+25% 超量程);
5. 精密溫度測量(外置PT100/PT1000/K型熱電偶);
6. 精密溫度模擬器。
與笨重的臺式校準(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,重量僅為283 克。MAXREFDES183# 的功能框圖如圖4 所示。
3 特性
參考設(shè)計(jì)MAXREFDES183# 基于可用軟件配置的工業(yè)級模擬I/O MAX22000,可用于測量電壓和電流,并帶有用于測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(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)和24 位Σ-Δ 型ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器),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(可編程增益放大器),具有高低兩種電壓輸入范圍,以支持ADC 對RTD 和IC 的測量。IC 通過高速SPI(串行外設(shè)接口)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(柵格陣列)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,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。
4 熱穩(wěn)定性
正如人們對高性能測量儀器的期望,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(集成電路互聯(lián))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,這使得我們可以對端子之間的電壓梯度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。該傳感器在0℃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 /℃)。此外,四個(gè)由FET(場效應(yīng)管)驅(qū)動(dòng)的加熱電阻靠近MAX22000 放置,以便在測量之前設(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6.45 平方厘米)來覆蓋MAX22000 及與其鄰近的溫度傳感器IC 和加熱電阻。
5 電源管理
校準(zhǔn)器由兩個(gè)3.6 V 3 500 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,從而延長電池在兩次充電之間的使用時(shí)間。IC 會(huì)對電池老化情況、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7.2 V的電池組電壓,從而為眾多DC-DC(直流- 直流)轉(zhuǎn)換器提供電壓輸入,生成為其他器件供電的電源軌。MAXREFDES183# 功耗為110 mAh(典型值),在電池充電周期之間正常使用時(shí)間長達(dá)31 小時(shí)。
圖4 MAXREFDES183#精密校準(zhǔn)器的功能框圖
6 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)。
圖5 MAXREFDES183#在–20°C至+70°C范圍內(nèi)的電壓和電流的準(zhǔn)確度
7 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)備通常在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中使用(和存儲(chǔ))。因此,它們在固定溫度下、在較長時(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)
8 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(參見圖7),它向用戶清楚地說明了應(yīng)如何連接外部儀表和信號源。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)。MAXREFDES183# 的3D 打印文件可供用戶下載以制作校準(zhǔn)器的外殼。3D 打印的外殼如圖8 所示。
圖7 MAXREFDES183#校準(zhǔn)菜單
圖8 MAX220000精密校準(zhǔn)器的3D打印外殼
9 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)場校準(zhǔn)。
(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期)
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