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，長時間的重復(fù)使用和不斷變化的環(huán)境條件會導(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。

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)，其中一個傳感器靠近MAX22000放置，而另一個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，四個由FET（場效應(yīng)管）驅(qū)動的加熱電阻靠近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間。IC 會對電池老化情況、溫度和放電速率進(jìn)行自動補(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間長達(dá)31 小時。

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）。因此，它們在固定溫度下、在較長時間間隔內(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，記錄時間為7 天（168 小時），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，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）