【導(dǎo)讀】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(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，因此需要對其進行定期校準(zhǔn)以確保其能夠按照既定標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)運行。
圖 1. 一名技術(shù)人員在接線柜內(nèi)進行校準(zhǔn)
事實上，對于許多行業(yè)來說（例如制藥），對設(shè)備進行定期校準(zhǔn)是一項制度性要求。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I?O模塊中所有類型的通道進行校準(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)備運輸?shù)浇泳€柜以進行校準(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，嚴重限制了這些設(shè)備的便攜性。
圖 2. 典型校準(zhǔn)儀器
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 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(zhǔn)器相比，這款參考設(shè)計校準(zhǔn)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(shè)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(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，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(shè)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(shè)計技術(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(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，四個由FET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。為了進一步提高熱穩(wěn)定性，參考設(shè)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(zhǔn)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(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7.2V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間長達31小時。
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電壓和電流的測量結(jié)果，表明參考設(shè)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(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 5. MAXREFDES183# 在 –20° C 至 +70° C 范圍內(nèi)的電壓和電流的準(zhǔn)確度
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
結(jié)論
參考設(shè)計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：實驗室設(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)。
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