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軟件可配置的模擬I?O助力更緊湊更方便的校準器設計

星星科技指導員 ? 來源:ADI ? 作者:Konrad Scheuer 和 Se ? 2023-06-15 14:25 ? 次閱讀
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Konrad ScheuerSean Long

工業(yè)模擬I?O模塊用于和工廠內(nèi)的傳感器、執(zhí)行器之間實現(xiàn)精準、低電平的電壓信號電流信號的收發(fā)。同所有電子器件一樣,長時間的重復使用和不斷變化的環(huán)境條件會導致其性能下降,因此需要對其進行定期校準以確保其能夠按照既定標準持續(xù)運行。

事實上,對于許多行業(yè)來說(例如制藥),對設備進行定期校準是一項制度性要求。訓練有素的技術人員需要訪問裝有I?O模塊的接線柜,以執(zhí)行校準程序并記錄結果。校準過程中需要使用的多種儀器(信號源和儀表)往往很笨重,難以運輸和同步操作。對此,我們將在本文中回顧這些校準設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。該參考設計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上可成為新一代超輕便攜校準器產(chǎn)品的標桿。

校準設備

要對I?O模塊中所有類型的通道進行校準,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,技術人員需要將多件設備運輸?shù)浇泳€柜以進行校準。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,嚴重限制了這些設備的便攜性。

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圖 3. MAXREFDES183 精密校準器

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

更緊湊的校準器

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

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)

精密溫度測量(外置PT100?PT1000?K型熱電偶)

精密溫度模擬器

與笨重的臺式校準器相比,這款參考設計校準器的尺寸僅為108 mm × 83 mm × 36 mm,重量僅為283 g。

MAXREFDES183#的功能框圖如圖4所示。

特性

參考設計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)部基準電壓源,在25°C時誤差小于0.01%。IC的線性范圍為標稱范圍的105%,而滿量程范圍為標稱范圍的125%。(例如,對于±10 V的標稱范圍,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RTD和TC的測量。IC通過高速SPI總線進行配置和通信,采用2.7 V至3.6 V的模擬和數(shù)字電源供電、以及高達±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。該參考設計還使用 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行控制和接收反饋。

熱穩(wěn)定性

正如人們對高性能測量儀器的期望,MAXREFDES183整合了多種設計技術以最大限度地提高熱性能,并改善校準器的整體準確度和整體穩(wěn)定性。參考設計的溫度監(jiān)控功能由兩個低功耗I2C溫度傳感器 MAX31875實現(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行溫度補償。該傳感器在0°C至70°C之間具有±1°C的準確度。50 Ω電阻用于設置I?O電流,具有高準確度(0.1%容差)和高溫度穩(wěn)定性(0.2 ppm?°C)。此外,四個由FET驅(qū)動的加熱電阻靠近MAX22000放置,以便在測量之前設置和穩(wěn)定環(huán)境溫度。為了進一步提高熱穩(wěn)定性,參考設計使用一個小金屬外殼(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

校準器由兩個3.6 V 3500 mAh的鋰電池供電。電量計 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、溫度和放電速率進行自動補償,在各種工作條件下能準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。反激式轉換器 MAX17498將標稱5V的USB電壓提升至標稱7.2V的電池組電壓,從而為眾多DC-DC轉換器提供電壓輸入,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間長達31小時。

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圖 4. MAXREFDES183 精密校準器的功能框圖

高準確度

圖5為-20°C和+70°C之間的I?O電壓和電流的測量結果,表明參考設計在 25°C(室溫)時的誤差在0.01% FSR以內(nèi)。

穩(wěn)定性

工作溫度范圍內(nèi)的高準確度固然重要,但校準設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)出的高度可重復性也很重要。圖6顯示MAXREFDES183具有±4 ppm的精度(漂移)。其中,參考設計被配置為電壓模式下的5 V模擬輸出,記錄設備為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。

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圖 6. MAXREFDES183 模擬輸出電壓的穩(wěn)定性(漂移)

校準器的校準

即使是精密校準器也需要定期校準。MAXREFDES183包括一個預燒錄的校準程序,它向用戶清楚地說明了應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,并解釋結果是否在可接受的范圍內(nèi)。

結論

參考設計MAXREFDES183精密校準器為一種輕巧、超便攜、電池供電的校準器,其功能、性能和準確度可媲美更大、更重、更昂貴的解決方案。其潛在應用包括:實驗室設備的校準、工業(yè)控制設備的調(diào)整、智能傳感器和執(zhí)行器的現(xiàn)場校準。

審核編輯:郭婷

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