本應(yīng)用筆記描述了MAX22000的內(nèi)部構(gòu)建模塊，可實(shí)現(xiàn)軟件可配置的通用模擬I/O功能。圖中顯示了常見(jiàn)工業(yè)模擬I/O模式的電路配置。

介紹

MAX22000為軟件可配置模擬輸入/輸出（I/O）器件，適用于過(guò)程控制等工業(yè)應(yīng)用和可編程邏輯控制器（PLC）等設(shè)備的I/O模塊。傳統(tǒng)上，控制工程師選擇固定功能的I/O卡（模擬輸入、模擬輸出、電壓或電流模式），并根據(jù)傳感器或執(zhí)行器的要求硬連線(xiàn)其PLC系統(tǒng)。隨著MAX22000等軟件可配置器件的推出，現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)I/O模塊，允許任何常見(jiàn)的工業(yè)I/O功能（模擬電壓輸入、模擬電流輸入、模擬電壓輸出、模擬電流輸出和RTD或熱電偶溫度測(cè)量），這些功能都可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軟件配置。這種靈活性直接轉(zhuǎn)化為更快的項(xiàng)目安裝和調(diào)試，使用軟件配置通用模塊以適應(yīng)系統(tǒng) I/O 要求。

本應(yīng)用筆記中使用的縮略語(yǔ)和縮略語(yǔ)列于附錄A中。

MAX22000模擬I/O構(gòu)建模塊

MAX22000的模擬量I/O功能如圖1a和圖1b所示。圖1a給出了定義MAX22000的簡(jiǎn)化功能模塊，圖1b是詳細(xì)說(shuō)明MAX22000內(nèi)部功能的詳細(xì)模塊級(jí)別。如圖1b所示，突出顯示的關(guān)鍵模塊使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用基于MAX22000的單芯片方案實(shí)現(xiàn)通用模擬I/O模塊。MAX22000集成了具有快速建立時(shí)間的18位DAC、多層24位Δ-ΣADC、精密基準(zhǔn)電壓源、可編程增益放大器（PGA）和高壓模擬調(diào)理功能。模擬輸出可以提供±10V范圍內(nèi)的電壓，提供±20mA范圍內(nèi)的電流，測(cè)量±10V范圍內(nèi)的電壓，或測(cè)量±20mA范圍內(nèi)的電流。獨(dú)立的專(zhuān)用模擬輸入測(cè)量 ±10V 范圍內(nèi)的電壓。另一個(gè)差分模擬輸入具有專(zhuān)用PGA，提供±12.5V、±2.5V、±500mV、±250mV或±125mV的范圍。所選輸入的采樣范圍為1sps至115.2ksps。MAX22000采用SPI接口進(jìn)行控制，用于所有配置和操作。

圖 1a.簡(jiǎn)化MAX22000模擬量I/O視圖

圖 1b.MAX22000原理框圖

HVDDO/HVSSO 電源是為模擬輸出部分供電所必需的。HVDD/HVSS 電源是為器件的模擬輸入部分供電所必需的。模擬輸入和輸出部分各具有不同的電源，因?yàn)樗瓜到y(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單且更易于配置。例如，讀數(shù)為 ±12.5V 的模擬輸入在 HVDD/HVSS 中使用 ±15V。對(duì)于具有典型250O負(fù)載的環(huán)路變送器應(yīng)用，可能需要模擬輸出部分來(lái)產(chǎn)生4mA – 20mA電流。在這種情況下，±8V可能就足夠了。

18 位 DAC 和 24 位 ？S ADC由低壓DVDD和AVDD供電。與外部控制器的通信接口由DVDD供電，出于安全目的，通常與應(yīng)用系統(tǒng)中的控制器電氣隔離。

通用模擬輸入/輸出配置和功能

常見(jiàn)的工業(yè)模擬I/O配置和信號(hào)電平如圖2所示，MAX22000的實(shí)現(xiàn)方案見(jiàn)表1。

圖2.MAX22000模擬輸入/輸出配置和特性

圖3至圖10給出了高壓模擬I/O端口的不同配置，以及如何利用MAX22000實(shí)現(xiàn)這些配置，對(duì)應(yīng)于表1中列出的8種模擬I/O配置。

電流和電壓反饋

MAX22000中的18位DAC可配置為模擬電壓輸出（AVO）或模擬電流輸出（ACO）。表 1 中的配置 1、2 和 8 顯示了 ACO 模式，其中輸入 AI1 和 AI2 與 50？?jī)?nèi)部檢流放大器 （CSA） 兩端的檢測(cè)電阻。該反饋可確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)精確跟蹤不同負(fù)載下的電流輸出。配置 5、6、7 和 8 使用 AVO 模式，AI3 用作電壓反饋，用于精確電壓跟蹤以保持設(shè)定電壓輸出。

圖3顯示了AI2上的單個(gè)模擬電流輸出和AI3、AI4和AI5、AI6上的兩個(gè)差分電壓或電流輸入配置通道。綠色突出顯示的組件表示電壓傳感器連接，紅色突出顯示的組件表示電流模式。放置在差分輸入端的典型250O阻性負(fù)載代表典型的電流環(huán)路連接。

圖 3：1 個(gè) ACO + 2 個(gè) AI （DE： V/I）。

圖4描繪了AI2端子上的單個(gè)模擬電流輸出，在AI3和AI5上具有2個(gè)單端電壓或電流輸入配置通道，在AI5、AI6上具有1個(gè)通道差分電壓或電流輸入。綠色突出顯示的組件表示電壓傳感器連接，紅色突出顯示的組件表示電流模式。在電流模式下，輸入 AI3 至 AI6 的典型 250O 阻性負(fù)載代表典型的接收器端接電流配置。

圖4.1 個(gè) ACO + 3 個(gè) AI （2 SE： V/， 1 DE： V/II）

圖5顯示了AI3端子具有+24V現(xiàn)場(chǎng)電源的單個(gè)模擬電流輸入通道，AI4端具有一個(gè)通道單端電壓或電流輸入，AI5、AI6端有一個(gè)通道差分輸入電壓或電流配置。當(dāng)AI1、AI2配置為模擬輸入以處理電流環(huán)路中不斷變化的負(fù)載時(shí)，MAX22000 DAC能夠提供0mA –20mA輸出電流。當(dāng)電流環(huán)路傳感器由環(huán)路供電且沒(méi)有外部+24V現(xiàn)場(chǎng)電源時(shí)，通常首選此模式。

圖5.+24V 現(xiàn)場(chǎng)電源，帶 ACI + 1 AI （DE： V/I） + 1AI （SE： V/I）。

綠色突出顯示的組件表示電壓傳感器連接，紅色突出顯示的組件表示電流模式。在電流模式下，AI5至AI6上的典型250O阻性負(fù)載表示典型電流環(huán)路連接的電流輸入測(cè)量值。AI4至GND的典型250O阻性負(fù)載代表典型接收器端接電流配置的電流輸入測(cè)量值。

AI3的電壓反饋信號(hào)確保DAC提供穩(wěn)定的電源，并且來(lái)自+24V現(xiàn)場(chǎng)電源的高壓側(cè)測(cè)量來(lái)自AI1和AI2的電流。

圖6顯示了AI3處的單個(gè)模擬電壓輸出通道，AI1、AI2和AI5、AI6處的兩個(gè)差分電流輸入通道，以及AI4處的一個(gè)通道單端電壓或電流輸入配置。AI1 和 AI2 是 50O 檢測(cè)電阻兩端的差分輸入，用于將最大差分電壓限制在 ±1.25V。AI5 和 AI6 支持電壓/電流輸入的差分輸入測(cè)量。

圖6.1AVO + 2AI （DE： V/I） + 1AI （SE： V/I）.

綠色突出顯示的組件表示電壓傳感器連接，紅色突出顯示的組件表示電流模式。在電流模式下，AI5 和 AI6 上的典型 250O 阻性負(fù)載代表典型電流環(huán)路配置的電流輸入測(cè)量值。

圖7顯示了AI3上的單個(gè)模擬電壓輸出通道和AI5、AI6上的三個(gè)單端電壓或電流輸入配置通道（AI1、AI2、AI4）和1個(gè)差分電壓或電流輸入通道。綠色突出顯示的組件表示電壓傳感器連接，紅色突出顯示的組件表示電流模式。電流模式下 AI1 至 AI6 至 GND 的典型 250O 阻性負(fù)載表示典型接收器端接電流環(huán)路配置的電流輸入測(cè)量值。

圖7.1AVO + 4AI （3SE： V/I， 1DE： V/I）.

圖8所示為MAX22000連接通用模擬I/O模式，包括輸入或輸出、電壓或電流，以及RTD或熱電偶測(cè)得的溫度。

圖 8：通用模擬輸入/輸出模式。

DAC輸出設(shè)置為電流或電壓輸出，AI5、AI6差分輸入共用相同的接線(xiàn)端子，通過(guò)軟件配置，可以在同一端子上實(shí)現(xiàn)真正的通用模擬輸入/輸出。

使用RTD或熱電偶元件進(jìn)行溫度測(cè)量：

如圖10所示，2線(xiàn)、3線(xiàn)和4線(xiàn)RTD測(cè)量通過(guò)通用模式實(shí)現(xiàn)。使用熱電偶時(shí)，冷結(jié)補(bǔ)償在低壓端口AUX1和AUX2輸入端實(shí)現(xiàn)。低壓 （±2.5V） 端口沒(méi)有高壓保護(hù)，不得與更高電壓的場(chǎng)信號(hào)一起使用。AUX1 和 AUX2 可在冷端補(bǔ)償?shù)那闆r下單獨(dú)使用，也可以靈活地用于其他板載診斷測(cè)量。

MAX22000的應(yīng)用示例

應(yīng)用1：MAXREFDES200# - Go-IO工廠自動(dòng)化卡

Go-IO 是一種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 參考設(shè)計(jì)，專(zhuān)為可配置工業(yè)控制系統(tǒng)的快速原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)。Go-IO 是板的組合;MAXREFDES215# 是帶有 I/O 連接器的載板，MAXREFDES211# 是應(yīng)用處理器板。MAXREFDES200# 是一款 I/O 卡，設(shè)計(jì)用于工廠自動(dòng)化應(yīng)用中常見(jiàn)的模擬和數(shù)字 I/O。該 I/O 卡插入載卡，由應(yīng)用處理器板控制。

MAXREFDES200#使用四種類(lèi)型的MAX22000模擬/I/O。I/O 引腳 AO1+ 是通用模擬 I/O （UAIO），這意味著可以使用軟件將其配置為輸入（電壓或電流模式）或輸出（電壓或電流模式）。AO1+ 能夠支持 ±12.5V 或 ±25mA 的輸入和輸出范圍，具體取決于軟件配置，無(wú)需更改硬件。這可通過(guò)MAX22000引腳用于DAC（AOP和AON）、ADC輸入（A1和A2）用于電流檢測(cè)放大器（CSA）和ADC輸入（A3）用于電壓檢測(cè)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

除 UAIO 端口外，其他 ADC 輸入也連接到 MAXREFDES215# 上的 I/O 連接器。輸入AI1+和AI1-連接到MAX22000上的ADC輸入A5和A6。MAX22000中的可編程增益放大器（PGA）可設(shè)置為不同的輸入電壓范圍，工作范圍為±12.5V、±2.5V、±500mV、±250mV和±125mV。輸入 AI2+ 連接到 ADC 輸入 AI4，電壓范圍為 ±12.5V。輸入 AI3+ 連接到 ADC 輸入 AI1。

圖9.The MAXREFDES200#.

應(yīng)用 2：MAXREFDES177#：IO-Link 通用模擬 I/O 參考設(shè)計(jì)

MAXREFDES177有助于MAX22000在實(shí)際工業(yè)傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用中的快速原型設(shè)計(jì)和評(píng)估。采用MAX22515 IO-Link收發(fā)器，模擬I/O側(cè)和IO-Link接口側(cè)完全隔離。

模擬端口支持：

電壓輸出 ±10V （±12.5V）

電流輸出 ±20mA （±25mA）

電壓輸入 ±10V （±12.5V）

電流輸入 ±20mA （±25mA）

圖 10.MAXREFDES177# 通用模擬量 I/O。

總結(jié)

MAX2200的特性和可配置性為設(shè)計(jì)可配置的I/O模塊提供了很大的自由度。采用MAX22000的系統(tǒng)不再受固定功能的限制，如輸入或輸出、電壓或電流。它是真正具有完整軟件可配置性的通用模擬I/O。 具有18位DAC和24位的內(nèi)部模塊？S ADC模塊使用戶(hù)能夠在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)獲得（低于）< ±0.1%FSR性能。

審核編輯：郭婷