软件可配置的模拟I/O预示着校准器更紧凑、更方便

作者：Konrad ScheuerandSean Long

介绍

工业interwetten与威廉的赔率体系 I/O 模块用于向位于工厂车间的传感器和执行器发送和接收精确的低电平电压和电流信号。与所有电子设备一样，长时间重复使用和不断变化的环境条件会导致其性能下降，这意味着必须定期校准以确保它们继续按照预定标准运行。

事实上，在许多行业（例如制药）中，定期校准是一项法规要求，需要训练有素的威廉希尔官方网站 人员访问装有 I/O 模块的接线柜，以执行校准程序并记录结果。这需要各种仪器（源和仪表），这些仪器有时既重又笨重，无法同时运输和操作。在此设计解决方案中，我们回顾了此类校准设备的典型示例的功能和规格。然后，我们考虑基于软件可配置模拟（SWIO）IC的新参考设计的特性，该参考设计可能为新一代超便携轻量级校准器设定基准，这些校准器仍能提供现有产品的功能和性能。

校准设备

校准I/O模块中的所有通道类型需要电压源和仪表（通常±10 V范围）、电流源和仪表（通常±20 mA范围）以及可以模拟I/O通道测量温度所使用的不同类型的热电偶和RTD（PT100/PT1000）的电压输出的源。根据可用仪器的功能，有时可能需要威廉希尔官方网站 人员将几件设备运送到接线柜。可以使用包含所有功能的精密仪器，但它们价格昂贵，尺寸大，并且重量限制了其便携性。

图2显示了包含这些功能的典型校准仪器。尺寸为 220 毫米× 173 毫米× 320 毫米，重 5。7 kg，精度在 0.02% 满量程范围 （FSR） 以内。

更紧凑的校准器

MAXREFDES183参考设计（见图3）是一款软件可配置的电池供电精密校准器，兼容常见的工业模拟输入和输出以及电压和电流范围。它还提供以下功能：

精密模拟电压输出，±10 V （+25% 在整个范围内）

精密模拟电流输出，±20 mA （+25% 在整个量程范围内）

精密模拟电压输入，±10 V （+25% 在整个量程范围内）

精密模拟电流输入，±20 mA （+25% 在整个范围内）

精密温度测量（外部PT100/PT1000/K型热电偶）

精密温度模拟器

与笨重的台式校准器相比，该参考设计校准器的尺寸仅为 108 mm × 83 mm × 36 mm，重量仅为 283 g。

MAXREFDES183的功能图如图4所示。

特征

MAXREFDES183基于MAX22000，MAX22000是一款软件可配置的工业级模拟I/O，可通过额外的输入测量温度（TC和RTD）来测量电压和电流。该IC具有一个快速建立的18位DAC和一个24位Σ-Δ型ADC，每个ADC均使用稳定的5 ppm/°C内部基准电压源，在25°C时精度在0.01%以内。 线性范围设置为 105%，而满量程范围设置为标称范围的 125%（例如，标称范围分别为 ±10.5 V 和 ±12.5 V±10 V），而低噪声板载 PGA 具有高压和低压输入范围，以支持 ADC 的 RTD 和 TC 测量。IC使用高速SPI总线进行配置，该总线还传输转换结果。该器件采用2.7 V至3.6 V模拟和数字电源以及高达±24 V高压电源供电，采用64引脚LGA封装，工作温度范围为–40°C至+125°C工业温度范围。参考设计还具有MAX32625，这是一款超低功耗Arm Cortex-M4微控制器，具有512 kB闪存和160 kB SRAM，通过SPI与MAX22000接口。它具有连接到板载USB桥接器（FT234XD）的UART接口和用于触摸屏显示器的接收器/发射器对。Nextion NX4024K032 3.2“ 400 × 240 像素彩色触摸屏显示器可实现用户控制和反馈。®®

热稳定性

正如高性能测量仪器所期望的那样，MAXREFDES183采用了多种英国威廉希尔公司网站 ，以最大限度地提高热性能并提高校准器的整体精度和稳定性。温度监控由两个低功耗I实例提供2C温度传感器MAX31875，在0°C至70°C之间具有±1°C的高精度。 其中一个IC靠近MAX22000放置，另一个靠近源端放置。这样就可以对端子之间的电压梯度进行温度补偿。选择50 Ω电阻（用于设置I/O电流）具有高精度（0.1%容差）和温度稳定性（0.2 ppm/°C）。此外，四个FET驱动的加热电阻位于MAX22000附近，允许在进行测量之前设置和稳定环境温度。为了增加热稳定性，MAX22000采用小型金属外壳（面积约1平方英寸）及其本地温度传感器IC和加热电阻。

电源管理

校准器由两节 3.6 V、3500 mAh 容量锂离子电池供电。MAX17320电量计监测和管理电池状态，包括电压、电流和温度，并利用外部高边FET防止过压/欠压、过流、短路、极端温度、过充电和内部自放电。充电处方可确保电池在安全条件下运行，延长充电之间的使用寿命。该 IC 可自动补偿电池老化、温度和放电速率，并在各种工作条件下以毫安小时 （mAh） 或百分比 （%） 为单位提供准确的充电状态。热敏电阻用于测量电池温度。MAX17498反激式转换器将USB电压（标称值为5 V）升压至电池组电压（标称值为7.2 V），为多个DC-DC转换器提供电压输入，产生为其他元件供电所需的电压轨。MAXREFDES183 的功耗为 110 mA（典型值），在电池充电周期之间提供长达 31 小时的正常使用时间。

图4.MAXREFDES183精密校验仪的功能图。

高精度

图5显示了在–20°C至+70°C温度下记录的电压和电流I/O测量结果，表明参考设计在25°C（室温）下的精度在0.01% FSR以内。

稳定性

虽然温度范围内的精度很重要，但校准设备通常在温度相对稳定的环境中使用（和存储）。因此，同样重要的是，它们在固定温度下在更长的时间间隔内表现出高度的可重复性。图 6 显示 了 MAXREFDES183 在 电压 模式下 配置 为 5 V 模拟 输出 时的 ± ppm 精度（漂移），使用 NI PXIe 1073 DMM（7.5 位），环境温度为 25°C。

图5.MAXREFDES183 的电压和电流精度范围为 –20°C 至 +70°C。

图6.MAXREFDES183的模拟输出电压稳定性（漂移）。

校准校准器

即使是精密校准器也需要定期校准。MAXREFDES183包括一个预编程的校准程序，向用户清楚地解释了如何连接外部仪表和电源，并向用户提供反馈，解释结果以确定它们是否在可接受的范围内。

可以下载MAXREFDES183# 3D打印机文件，为校准器创建外壳。

结论

MAXREFDES183精密校准器参考设计展示了一款轻量级、超便携、电池供电的校准器，其功能、性能和精度是更大、更重、更昂贵的解决方案。基于此设计的产品的潜在应用包括实验室设备校准、工业控制设备的调整以及智能传感器和执行器的现场校准。

审核编辑：郭婷