作者：Konrad ScheuerandSean Long

介紹

工業(yè)模擬 I/O 模塊用于向位于工廠車間的傳感器和執(zhí)行器發(fā)送和接收精確的低電平電壓和電流信號。與所有電子設(shè)備一樣，長時間重復(fù)使用和不斷變化的環(huán)境條件會導致其性能下降，這意味著必須定期校準以確保它們繼續(xù)按照預(yù)定標準運行。

事實上，在許多行業(yè)（例如制藥）中，定期校準是一項法規(guī)要求，需要訓練有素的技術(shù)人員訪問裝有 I/O 模塊的接線柜，以執(zhí)行校準程序并記錄結(jié)果。這需要各種儀器（源和儀表），這些儀器有時既重又笨重，無法同時運輸和操作。在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了此類校準設(shè)備的典型示例的功能和規(guī)格。然后，我們考慮基于軟件可配置模擬（SWIO）IC的新參考設(shè)計的特性，該參考設(shè)計可能為新一代超便攜輕量級校準器設(shè)定基準，這些校準器仍能提供現(xiàn)有產(chǎn)品的功能和性能。

校準設(shè)備

校準I/O模塊中的所有通道類型需要電壓源和儀表（通?！?0 V范圍）、電流源和儀表（通?！?0 mA范圍）以及可以模擬I/O通道測量溫度所使用的不同類型的熱電偶和RTD（PT100/PT1000）的電壓輸出的源。根據(jù)可用儀器的功能，有時可能需要技術(shù)人員將幾件設(shè)備運送到接線柜?？梢允褂冒泄δ艿木軆x器，但它們價格昂貴，尺寸大，并且重量限制了其便攜性。

圖2顯示了包含這些功能的典型校準儀器。尺寸為 220 毫米× 173 毫米× 320 毫米，重 5。7 kg，精度在 0.02% 滿量程范圍 （FSR） 以內(nèi)。

更緊湊的校準器

MAXREFDES183參考設(shè)計（見圖3）是一款軟件可配置的電池供電精密校準器，兼容常見的工業(yè)模擬輸入和輸出以及電壓和電流范圍。它還提供以下功能：

精密模擬電壓輸出，±10 V （+25% 在整個范圍內(nèi)）

精密模擬電流輸出，±20 mA （+25% 在整個量程范圍內(nèi)）

精密模擬電壓輸入，±10 V （+25% 在整個量程范圍內(nèi)）

精密模擬電流輸入，±20 mA （+25% 在整個范圍內(nèi)）

精密溫度測量（外部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，該參考設(shè)計校準器的尺寸僅為 108 mm × 83 mm × 36 mm，重量僅為 283 g。

MAXREFDES183的功能圖如圖4所示。

特征

MAXREFDES183基于MAX22000，MAX22000是一款軟件可配置的工業(yè)級模擬I/O，可通過額外的輸入測量溫度（TC和RTD）來測量電壓和電流。該IC具有一個快速建立的18位DAC和一個24位Σ-Δ型ADC，每個ADC均使用穩(wěn)定的5 ppm/°C內(nèi)部基準電壓源，在25°C時精度在0.01%以內(nèi)。 線性范圍設(shè)置為 105%，而滿量程范圍設(shè)置為標稱范圍的 125%（例如，標稱范圍分別為 ±10.5 V 和 ±12.5 V±10 V），而低噪聲板載 PGA 具有高壓和低壓輸入范圍，以支持 ADC 的 RTD 和 TC 測量。IC使用高速SPI總線進行配置，該總線還傳輸轉(zhuǎn)換結(jié)果。該器件采用2.7 V至3.6 V模擬和數(shù)字電源以及高達±24 V高壓電源供電，采用64引腳LGA封裝，工作溫度范圍為–40°C至+125°C工業(yè)溫度范圍。參考設(shè)計還具有MAX32625，這是一款超低功耗Arm Cortex-M4微控制器，具有512 kB閃存和160 kB SRAM，通過SPI與MAX22000接口。它具有連接到板載USB橋接器（FT234XD）的UART接口和用于觸摸屏顯示器的接收器/發(fā)射器對。Nextion NX4024K032 3.2“ 400 × 240 像素彩色觸摸屏顯示器可實現(xiàn)用戶控制和反饋。??

熱穩(wěn)定性

正如高性能測量儀器所期望的那樣，MAXREFDES183采用了多種設(shè)計技術(shù)，以最大限度地提高熱性能并提高校準器的整體精度和穩(wěn)定性。溫度監(jiān)控由兩個低功耗I實例提供2C溫度傳感器MAX31875，在0°C至70°C之間具有±1°C的高精度。 其中一個IC靠近MAX22000放置，另一個靠近源端放置。這樣就可以對端子之間的電壓梯度進行溫度補償。選擇50 Ω電阻（用于設(shè)置I/O電流）具有高精度（0.1%容差）和溫度穩(wěn)定性（0.2 ppm/°C）。此外，四個FET驅(qū)動的加熱電阻位于MAX22000附近，允許在進行測量之前設(shè)置和穩(wěn)定環(huán)境溫度。為了增加熱穩(wěn)定性，MAX22000采用小型金屬外殼（面積約1平方英寸）及其本地溫度傳感器IC和加熱電阻。

電源管理

校準器由兩節(jié) 3.6 V、3500 mAh 容量鋰離子電池供電。MAX17320電量計監(jiān)測和管理電池狀態(tài)，包括電壓、電流和溫度，并利用外部高邊FET防止過壓/欠壓、過流、短路、極端溫度、過充電和內(nèi)部自放電。充電處方可確保電池在安全條件下運行，延長充電之間的使用壽命。該 IC 可自動補償電池老化、溫度和放電速率，并在各種工作條件下以毫安小時 （mAh） 或百分比 （%） 為單位提供準確的充電狀態(tài)。熱敏電阻用于測量電池溫度。MAX17498反激式轉(zhuǎn)換器將USB電壓（標稱值為5 V）升壓至電池組電壓（標稱值為7.2 V），為多個DC-DC轉(zhuǎn)換器提供電壓輸入，產(chǎn)生為其他元件供電所需的電壓軌。MAXREFDES183 的功耗為 110 mA（典型值），在電池充電周期之間提供長達 31 小時的正常使用時間。

圖4.MAXREFDES183精密校驗儀的功能圖。

高精度

圖5顯示了在–20°C至+70°C溫度下記錄的電壓和電流I/O測量結(jié)果，表明參考設(shè)計在25°C（室溫）下的精度在0.01% FSR以內(nèi)。

穩(wěn)定性

雖然溫度范圍內(nèi)的精度很重要，但校準設(shè)備通常在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中使用（和存儲）。因此，同樣重要的是，它們在固定溫度下在更長的時間間隔內(nèi)表現(xiàn)出高度的可重復(fù)性。圖 6 顯示 了 MAXREFDES183 在 電壓 模式下 配置 為 5 V 模擬 輸出 時的 ± ppm 精度（漂移），使用 NI PXIe 1073 DMM（7.5 位），環(huán)境溫度為 25°C。

圖5.MAXREFDES183 的電壓和電流精度范圍為 –20°C 至 +70°C。

圖6.MAXREFDES183的模擬輸出電壓穩(wěn)定性（漂移）。

校準校準器

即使是精密校準器也需要定期校準。MAXREFDES183包括一個預(yù)編程的校準程序，向用戶清楚地解釋了如何連接外部儀表和電源，并向用戶提供反饋，解釋結(jié)果以確定它們是否在可接受的范圍內(nèi)。

可以下載MAXREFDES183# 3D打印機文件，為校準器創(chuàng)建外殼。

結(jié)論

MAXREFDES183精密校準器參考設(shè)計展示了一款輕量級、超便攜、電池供電的校準器，其功能、性能和精度是更大、更重、更昂貴的解決方案。基于此設(shè)計的產(chǎn)品的潛在應(yīng)用包括實驗室設(shè)備校準、工業(yè)控制設(shè)備的調(diào)整以及智能傳感器和執(zhí)行器的現(xiàn)場校準。

審核編輯：郭婷