16位、高精度4-20mA輸入隔離模擬前端(AFE)

摘要：本文介紹了Campbell子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)(MAXREFDES4 #)在工業(yè)控制和工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用，能夠滿足這類產(chǎn)品對(duì)高分辨率、高隔離度的需求。文中提供了FFT和直方圖實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，并給出了硬件和固件設(shè)計(jì)文件。

簡(jiǎn)介
在工業(yè)控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中,通常需要高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。雖然今天的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和微控制器內(nèi)部集成了數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(ADC),但在多數(shù)情況下,ADC的分辨率不高,也缺乏足夠的隔離。Campbell子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)(MAXREFDES4 # )為16位高精度工業(yè)模擬前端(AFE),可接收一路4-20mA電流環(huán)或一路0.2V至4.096V的電壓輸入信號(hào),提供隔離電源和完整的數(shù)據(jù)采集小型化設(shè)計(jì)。Campbell設(shè)計(jì)包括高精度低噪聲緩沖器(MAX44250)、高精度ADC (MAX11100)、超高精度4.096V電壓基準(zhǔn)(MAX6126)、600VRMS數(shù)據(jù)隔離器(MAX14850)，以及隔離的5V電源(MAX256/MAX1659)。這個(gè)AFE方案可以用于任何高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換場(chǎng)合，但主要針對(duì)工業(yè)傳感器、工業(yè)自動(dòng)化、過程控制、可編程邏輯控制器(PLC)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

硬件詳細(xì)說明

3.3V和5V兩種模塊均提供Pmod引腳排列和其它引腳排列。該模塊為3.3V供電版本，其SPI引腳排列如下圖所示。 供電要求如表1所示，當(dāng)前支持的平臺(tái)及其端口見表2。

Campbell子系統(tǒng)非常適合高精度4-20mA電流環(huán)或0.2V - 4.096V輸入范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)同時(shí)提供電源隔離(MAX256)和數(shù)據(jù)隔離(MAX14850)。

MAX44250運(yùn)放(U1)輸入電路通過一個(gè)200Ω負(fù)載電阻將4–20mA電流環(huán)轉(zhuǎn)換成電壓(JU2閉合)或連接0.2V- 4.096V (JU2開路)電壓信號(hào)。

MAX11100 (U2)為16位逐次逼近(SAR) ADC，具有AutoShutdown?和1.1μs快速喚醒功能。 ADC基準(zhǔn)輸入由MAX6126超高精度4.096V電壓基準(zhǔn)(U3)驅(qū)動(dòng)，具有0.02%初始精度和3ppm/°C最大溫漂系數(shù)。

MAX256 (U4)提供隔離電源方案，利用現(xiàn)成的TGM-H281NF Halo?變壓器，主副邊匝數(shù)比為1:2.6，配合板上倍壓電路將3.3V轉(zhuǎn)換成12V輸出。利用MAX1659 低壓差穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)后續(xù)穩(wěn)壓(U5用于12V輸出、U6用于5V模擬電源輸出、U8用于5V數(shù)字供電電源輸出)。數(shù)據(jù)隔離采用MAX14850 (U5)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)隔離器完成，電源和數(shù)據(jù)隔離可達(dá)600VRMS。

需要使用板上隔離電源時(shí)，將跳線JU3的1–2位置短接，跳線JU4的2–3位置短接。如果不需要板上隔離電源，可以采用外部12V直流電源。將跳線JU3的2–3位置短接，跳線JU4的1–2 位置短接。連接外部電源的地到GND2接頭，連接12V直流電源到EXT_V接頭。跳線設(shè)置和輸入電流需求如表1所示。

固件詳細(xì)描述
Campbell固件針對(duì)Nexys3開發(fā)板設(shè)計(jì)，專用于Xilinx? Spartan-6 FPGA內(nèi)部的MicroBlaze軟核微控制器?？赡軙?huì)定期在固件中加入設(shè)計(jì)文件以支持附加平臺(tái)，目前所支持的平臺(tái)和端口如表2所示。

該固件用于演示如何連接硬件接口、獲取采集樣本，并把它們保存到存儲(chǔ)器內(nèi)，簡(jiǎn)單的流程如圖2所示。固件利用Xilinx SDK工具包，用C語言編寫，基于Eclipse? 的開源標(biāo)準(zhǔn)。Campbell定制功能采用的是標(biāo)準(zhǔn)的Xilinx XSpi核版本3.03a。SPI時(shí)鐘頻率為3.125MHz。

圖 2. Campbell固件流程圖
固件接受命令、寫狀態(tài),并可通過一個(gè)虛擬COM端口下載采樣數(shù)據(jù)包，將其存入標(biāo)準(zhǔn)的終端程序。提供完整的源代碼，幫助客戶加速開發(fā)。程序文件可以在相關(guān)的固件平臺(tái)文件中找到。

快速評(píng)估
需要設(shè)備：
帶有2個(gè)USB口的Windows?計(jì)算機(jī)
Campbell (MAXREFDES4#)板
Campbell支持平臺(tái)(例如Nexys 3開發(fā)工具包)
4-20mA電流環(huán)傳感器或其它信號(hào)源
下載Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速評(píng)估指南，按照說明書提供的步驟進(jìn)行評(píng)估。
實(shí)驗(yàn)測(cè)量
使用設(shè)備：
高精度SYS-2722音頻信號(hào)源或同等信號(hào)源
電壓校準(zhǔn)表DVC-8500
帶雙USB口的Windows計(jì)算機(jī)
Campbell(MAXREFDES4#)板
Nexys 3開發(fā)工具包
12V直流電源(僅用于外部電源測(cè)試)
測(cè)試Campbell設(shè)計(jì)時(shí)須謹(jǐn)慎選擇合適的設(shè)備，測(cè)試任何高精度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇比被測(cè)件精度更高的信號(hào)源和測(cè)試設(shè)備。必須采用低失真信號(hào)源以復(fù)現(xiàn)真實(shí)的結(jié)果。輸入信號(hào)由Audio Precision SYS-2722產(chǎn)生，利用Mitov Software SignalLab的FFT控件生成FFT變換。
板上隔離電源供電條件下的交流和直流性能如圖3和圖4所示；外部電源供電時(shí)的交流和直流性能如圖5和圖6所示。

圖 3. 采用在板上隔離電源供電時(shí)的交流FFT，輸入信號(hào)為0.2V-4.08V 1kHz正弦波，高阻輸入，采樣率20ksps，Blackman-Harris窗。

圖4. 采用板上隔離電源供電時(shí)的直流直方圖；2.0V輸入信號(hào)、高阻輸入，20ksps采樣速率，樣本數(shù)為65,536；碼值分布在6個(gè)LSB，以96.57%的概率位于中心的三個(gè)LSB，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.702。

圖5. 外部電源供電時(shí)的交流FFT變換，0.2V-4.08V 1kHz正弦波輸入信號(hào)，高阻輸入，20ksps 采樣速率，Blackman-Harris窗。

圖6. 采用外部電源的直流直方圖，2.0V輸入信號(hào)；高阻輸入；20ksps采集速率，樣本數(shù)為65,536；碼值分布在7個(gè)LSB，以96.94%的概率位于中心的三個(gè)LSB，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.721。