16位、高精度4-20mA輸入隔離模擬前端(AFE)

摘要：本文介紹了Campbell子系統參考設計(MAXREFDES4 #)在工業控制和工業自動化中的應用，能夠滿足這類產品對高分辨率、高隔離度的需求。文中提供了FFT和直方圖實驗室測試結果，并給出了硬件和固件設計文件。

簡介
在工業控制和工業自動化應用中,通常需要高分辨率數據轉換器。雖然今天的現場可編程門陣列(FPGA)和微控制器內部集成了數/模轉換器(ADC),但在多數情況下,ADC的分辨率不高,也缺乏足夠的隔離。Campbell子系統參考設計(MAXREFDES4 # )為16位高精度工業模擬前端(AFE),可接收一路4-20mA電流環或一路0.2V至4.096V的電壓輸入信號,提供隔離電源和完整的數據采集小型化設計。Campbell設計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(MAX6126)、600VRMS數據隔離器(MAX14850)，以及隔離的5V電源(MAX256/MAX1659)。這個AFE方案可以用于任何高精度模/數轉換場合，但主要針對工業傳感器、工業自動化、過程控制、可編程邏輯控制器(PLC)和醫學應用。

硬件詳細說明

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，當前支持的平臺及其端口見表2。

Campbell子系統非常適合高精度4-20mA電流環或0.2V - 4.096V輸入范圍的數據采集系統。硬件設計同時提供電源隔離(MAX256)和數據隔離(MAX14850)。

MAX44250運放(U1)輸入電路通過一個200Ω負載電阻將4–20mA電流環轉換成電壓(JU2閉合)或連接0.2V- 4.096V (JU2開路)電壓信號。

MAX11100 (U2)為16位逐次逼近(SAR) ADC，具有AutoShutdown?和1.1μs快速喚醒功能。 ADC基準輸入由MAX6126超高精度4.096V電壓基準(U3)驅動，具有0.02%初始精度和3ppm/°C最大溫漂系數。

MAX256 (U4)提供隔離電源方案，利用現成的TGM-H281NF Halo?變壓器，主副邊匝數比為1:2.6，配合板上倍壓電路將3.3V轉換成12V輸出。利用MAX1659 低壓差穩壓器實現后續穩壓(U5用于12V輸出、U6用于5V模擬電源輸出、U8用于5V數字供電電源輸出)。數據隔離采用MAX14850 (U5)數字數據隔離器完成，電源和數據隔離可達600VRMS。

需要使用板上隔離電源時，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。跳線設置和輸入電流需求如表1所示。

固件詳細描述
Campbell固件針對Nexys3開發板設計，專用于Xilinx? Spartan-6 FPGA內部的MicroBlaze軟核微控制器。可能會定期在固件中加入設計文件以支持附加平臺，目前所支持的平臺和端口如表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器內，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? 的開源標準。Campbell定制功能采用的是標準的Xilinx XSpi核版本3.03a。SPI時鐘頻率為3.125MHz。

圖 2. Campbell固件流程圖
固件接受命令、寫狀態,并可通過一個虛擬COM端口下載采樣數據包，將其存入標準的終端程序。提供完整的源代碼，幫助客戶加速開發。程序文件可以在相關的固件平臺文件中找到。

快速評估
需要設備：
帶有2個USB口的Windows?計算機
Campbell (MAXREFDES4#)板
Campbell支持平臺(例如Nexys 3開發工具包)
4-20mA電流環傳感器或其它信號源
下載Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速評估指南，按照說明書提供的步驟進行評估。
實驗測量
使用設備：
高精度SYS-2722音頻信號源或同等信號源
電壓校準表DVC-8500
帶雙USB口的Windows計算機
Campbell(MAXREFDES4#)板
Nexys 3開發工具包
12V直流電源(僅用于外部電源測試)
測試Campbell設計時須謹慎選擇合適的設備，測試任何高精度設計的關鍵在于選擇比被測件精度更高的信號源和測試設備。必須采用低失真信號源以復現真實的結果。輸入信號由Audio Precision SYS-2722產生，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的交流FFT，輸入信號為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的直流直方圖；2.0V輸入信號、高阻輸入，20ksps采樣速率，樣本數為65,536；碼值分布在6個LSB，以96.57%的概率位于中心的三個LSB，標準方差為0.702。

圖5. 外部電源供電時的交流FFT變換，0.2V-4.08V 1kHz正弦波輸入信號，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；高阻輸入；20ksps采集速率，樣本數為65,536；碼值分布在7個LSB，以96.94%的概率位于中心的三個LSB，標準方差為0.721。