【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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、低電平的電壓信號(hào)與電流信號(hào)的收發(fā)。同所有電子器件一樣,長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)使用和不斷變化的環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致其性能下降,因此需要對(duì)其進(jìn)行定期校準(zhǔn)以確保其能夠按照既定標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)運(yùn)行。
圖 1. 一名技術(shù)人員在接線柜內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)
事實(shí)上,對(duì)于許多行業(yè)來(lái)說(shuō)(例如制藥),對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)是一項(xiàng)制度性要求。訓(xùn)練有素的技術(shù)人員需要訪問(wèn)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(guò)程中需要使用的多種儀器(信號(hào)源和儀表)往往很笨重,難以運(yùn)輸和同步操作。對(duì)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(shí)介紹我們的新解決方案的特性。該參考設(shè)計(jì)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(duì)I?O模塊中所有類型的通道進(jìn)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(hào)源。該信號(hào)源用于模擬測(cè)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(yùn)輸?shù)浇泳€柜以進(jìn)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(jià)格高、尺寸大、重量重,嚴(yán)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(tái)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(dá)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(jì) 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(jiàn)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(jì)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(cè)量(外置PT100?PT1000?K型熱電偶)
● 精密溫度模擬器
與笨重的臺(tái)式校準(zhǔn)器相比,這款參考設(shè)計(jì)校準(zhǔn)器的尺寸僅為108 mm × 83 mm × 36 mm,重量?jī)H為283 g。
MAXREFDES183#的功能框圖如圖4所示。
特性
參考設(shè)計(jì)MAXREFDES183#基于可用軟件配置的工業(yè)級(jí)模擬I?O MAX22000,可用于測(cè)量電壓和電流,并帶有用于測(cè)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(shí)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(duì)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(duì)RTD和TC的測(cè)量。IC通過(guò)高速SPI總線進(jìn)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(dá)±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(jì)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(guò)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(duì),用于觸屏顯示。用戶可通過(guò)Nextion NX4024K032 3.2'' 400 × 240像素彩色觸屏顯示器進(jìn)行控制和接收反饋。
熱穩(wěn)定性
正如人們對(duì)高性能測(cè)量?jī)x器的期望,MAXREFDES183#整合了多種設(shè)計(jì)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(jì)的溫度監(jiān)控功能由兩個(gè)低功耗I2C溫度傳感器 MAX31875實(shí)現(xiàn),其中一個(gè)傳感器靠近MAX22000放置,而另一個(gè)傳感器靠近源端放置,這使得我們可以對(duì)端子之間的電壓梯度進(jìn)行溫度補(bǔ)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(gè)由FET驅(qū)動(dòng)的加熱電阻靠近MAX22000放置,以便在測(cè)量之前設(shè)置和穩(wěn)定環(huán)境溫度。為了進(jìn)一步提高熱穩(wěn)定性,參考設(shè)計(jì)使用一個(gè)小金屬外殼(面積大約為1平方英寸)來(lái)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(gè)3.6 V 3500 mAh的鋰電池供電。電量計(jì) 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(lái)防止過(guò)壓?欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)冷?過(guò)熱、過(guò)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(yùn)行,從而延長(zhǎng)電池在兩次充電之間的使用時(shí)間。IC會(huì)對(duì)電池老化情況、溫度和放電速率進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)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(shí)mAh或百分比%顯示)。IC外接熱敏電阻用于測(cè)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)31小時(shí)。
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(cè)量結(jié)果,表明參考設(shè)計(jì)在 25°C(室溫)時(shí)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(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中使用(和存儲(chǔ))。因此,它們?cè)诠潭囟认?、在較長(zhǎng)時(shí)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(jì)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(wàn)用表PXIe 1073,測(cè)試環(huán)境溫度為25°C,記錄時(shí)間為7天(168小時(shí)),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(gè)預(yù)燒錄的校準(zhǔn)程序(參見(jiàn)圖7),它向用戶清楚地說(shuō)明了應(yīng)如何連接外部?jī)x表和信號(hào)源。同時(shí),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(jì)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)校準(zhǔn)。
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