16位高精度4-20mA輸入隔離模擬前端(AFE)

　　引言

　　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。

　　圖1. Campbell子系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　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)200 Ω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™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)600V RMS。

　　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

　　實(shí)驗(yàn)測量

　　使用設(shè)備：

　　Audio Precision® 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（僅用于外部電源測試）

　　測試Campbell設(shè)計(jì)時(shí)須謹(jǐn)慎選擇合適的設(shè)備，測試任何高精度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇比被測件精度更高的信號(hào)源和測試設(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。

　　ARM是ARM Limited的注冊(cè)商標(biāo)和注冊(cè)服務(wù)標(biāo)志。

　　Audio Precision是Audio Precision， Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。

　　AutoShutdown是Maxim Integrated Products， Inc.的商標(biāo)。

　　Cortex是ARM Limited的注冊(cè)商標(biāo)。

　　Eclipse是Eclipse Foundation， Inc.的商標(biāo)。

　　Halo是Halo Electronics， Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。

　　MicroBlaze是Xilinx， Inc.的商標(biāo)。

　　Nexys是Digilent Inc.的商標(biāo)。

　　Pmod是Digilent Inc.的商標(biāo)。

　　Spartan是Xilinx， Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。

　　Windows是Microsoft Corporation的注冊(cè)商標(biāo)和注冊(cè)服務(wù)標(biāo)志。

　　Xilinx是Xilinx， Inc.的注冊(cè)商標(biāo)和注冊(cè)服務(wù)標(biāo)志。

　　ZedBoard是ZedBoard.org的商標(biāo)。

　　Zynq是Xilinx， Inc.的注冊(cè)商標(biāo)。