作者：Konrad ScheuerandSean Long

介紹

工業模擬 I/O 模塊用于向位于工廠車間的傳感器和執行器發送和接收精確的低電平電壓和電流信號。與所有電子設備一樣，長時間重復使用和不斷變化的環境條件會導致其性能下降，這意味著必須定期校準以確保它們繼續按照預定標準運行。

事實上，在許多行業（例如制藥）中，定期校準是一項法規要求，需要訓練有素的技術人員訪問裝有 I/O 模塊的接線柜，以執行校準程序并記錄結果。這需要各種儀器（源和儀表），這些儀器有時既重又笨重，無法同時運輸和操作。在此設計解決方案中，我們回顧了此類校準設備的典型示例的功能和規格。然后，我們考慮基于軟件可配置模擬（SWIO）IC的新參考設計的特性，該參考設計可能為新一代超便攜輕量級校準器設定基準，這些校準器仍能提供現有產品的功能和性能。

校準設備

校準I/O模塊中的所有通道類型需要電壓源和儀表（通常±10 V范圍）、電流源和儀表（通常±20 mA范圍）以及可以模擬I/O通道測量溫度所使用的不同類型的熱電偶和RTD（PT100/PT1000）的電壓輸出的源。根據可用儀器的功能，有時可能需要技術人員將幾件設備運送到接線柜。可以使用包含所有功能的精密儀器，但它們價格昂貴，尺寸大，并且重量限制了其便攜性。

圖2顯示了包含這些功能的典型校準儀器。尺寸為 220 毫米× 173 毫米× 320 毫米，重 5。7 kg，精度在 0.02% 滿量程范圍 （FSR） 以內。

更緊湊的校準器

MAXREFDES183參考設計（見圖3）是一款軟件可配置的電池供電精密校準器，兼容常見的工業模擬輸入和輸出以及電壓和電流范圍。它還提供以下功能：

精密模擬電壓輸出，±10 V （+25% 在整個范圍內）

精密模擬電流輸出，±20 mA （+25% 在整個量程范圍內）

精密模擬電壓輸入，±10 V （+25% 在整個量程范圍內）

精密模擬電流輸入，±20 mA （+25% 在整個范圍內）

精密溫度測量（外部PT100/PT1000/K型熱電偶）

精密溫度模擬器

與笨重的臺式校準器相比，該參考設計校準器的尺寸僅為 108 mm × 83 mm × 36 mm，重量僅為 283 g。

MAXREFDES183的功能圖如圖4所示。

特征

MAXREFDES183基于MAX22000，MAX22000是一款軟件可配置的工業級模擬I/O，可通過額外的輸入測量溫度（TC和RTD）來測量電壓和電流。該IC具有一個快速建立的18位DAC和一個24位Σ-Δ型ADC，每個ADC均使用穩定的5 ppm/°C內部基準電壓源，在25°C時精度在0.01%以內。 線性范圍設置為 105%，而滿量程范圍設置為標稱范圍的 125%（例如，標稱范圍分別為 ±10.5 V 和 ±12.5 V±10 V），而低噪聲板載 PGA 具有高壓和低壓輸入范圍，以支持 ADC 的 RTD 和 TC 測量。IC使用高速SPI總線進行配置，該總線還傳輸轉換結果。該器件采用2.7 V至3.6 V模擬和數字電源以及高達±24 V高壓電源供電，采用64引腳LGA封裝，工作溫度范圍為–40°C至+125°C工業溫度范圍。參考設計還具有MAX32625，這是一款超低功耗Arm Cortex-M4微控制器，具有512 kB閃存和160 kB SRAM，通過SPI與MAX22000接口。它具有連接到板載USB橋接器（FT234XD）的UART接口和用于觸摸屏顯示器的接收器/發射器對。Nextion NX4024K032 3.2“ 400 × 240 像素彩色觸摸屏顯示器可實現用戶控制和反饋。??

熱穩定性

正如高性能測量儀器所期望的那樣，MAXREFDES183采用了多種設計技術，以最大限度地提高熱性能并提高校準器的整體精度和穩定性。溫度監控由兩個低功耗I實例提供2C溫度傳感器MAX31875，在0°C至70°C之間具有±1°C的高精度。 其中一個IC靠近MAX22000放置，另一個靠近源端放置。這樣就可以對端子之間的電壓梯度進行溫度補償。選擇50 Ω電阻（用于設置I/O電流）具有高精度（0.1%容差）和溫度穩定性（0.2 ppm/°C）。此外，四個FET驅動的加熱電阻位于MAX22000附近，允許在進行測量之前設置和穩定環境溫度。為了增加熱穩定性，MAX22000采用小型金屬外殼（面積約1平方英寸）及其本地溫度傳感器IC和加熱電阻。

電源管理

校準器由兩節 3.6 V、3500 mAh 容量鋰離子電池供電。MAX17320電量計監測和管理電池狀態，包括電壓、電流和溫度，并利用外部高邊FET防止過壓/欠壓、過流、短路、極端溫度、過充電和內部自放電。充電處方可確保電池在安全條件下運行，延長充電之間的使用壽命。該 IC 可自動補償電池老化、溫度和放電速率，并在各種工作條件下以毫安小時 （mAh） 或百分比 （%） 為單位提供準確的充電狀態。熱敏電阻用于測量電池溫度。MAX17498反激式轉換器將USB電壓（標稱值為5 V）升壓至電池組電壓（標稱值為7.2 V），為多個DC-DC轉換器提供電壓輸入，產生為其他元件供電所需的電壓軌。MAXREFDES183 的功耗為 110 mA（典型值），在電池充電周期之間提供長達 31 小時的正常使用時間。

圖4.MAXREFDES183精密校驗儀的功能圖。

高精度

圖5顯示了在–20°C至+70°C溫度下記錄的電壓和電流I/O測量結果，表明參考設計在25°C（室溫）下的精度在0.01% FSR以內。

穩定性

雖然溫度范圍內的精度很重要，但校準設備通常在溫度相對穩定的環境中使用（和存儲）。因此，同樣重要的是，它們在固定溫度下在更長的時間間隔內表現出高度的可重復性。圖 6 顯示 了 MAXREFDES183 在 電壓 模式下 配置 為 5 V 模擬 輸出 時的 ± ppm 精度（漂移），使用 NI PXIe 1073 DMM（7.5 位），環境溫度為 25°C。

圖5.MAXREFDES183 的電壓和電流精度范圍為 –20°C 至 +70°C。

圖6.MAXREFDES183的模擬輸出電壓穩定性（漂移）。

校準校準器

即使是精密校準器也需要定期校準。MAXREFDES183包括一個預編程的校準程序，向用戶清楚地解釋了如何連接外部儀表和電源，并向用戶提供反饋，解釋結果以確定它們是否在可接受的范圍內。

可以下載MAXREFDES183# 3D打印機文件，為校準器創建外殼。

結論

MAXREFDES183精密校準器參考設計展示了一款輕量級、超便攜、電池供電的校準器，其功能、性能和精度是更大、更重、更昂貴的解決方案。基于此設計的產品的潛在應用包括實驗室設備校準、工業控制設備的調整以及智能傳感器和執行器的現場校準。

審核編輯：郭婷