本應(yīng)用筆記描述了MAX22000的內(nèi)部構(gòu)建模塊，用于配置模擬IO功能。本文檔介紹了可用于模擬輸入和輸出配置的器件輸入/組件。圖中顯示了常見(jiàn)工業(yè)模擬模式的電路配置。

介紹

從歷史上看，可編程邏輯控制器 （PLC） 系統(tǒng)具有固定功能的 IO 卡（模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出），這在有線編組機(jī)柜、更長(zhǎng)的部署和安裝計(jì)劃以及未來(lái)現(xiàn)場(chǎng)更新的不靈活性方面面臨挑戰(zhàn)。使用可配置IO的器件，如MAX22000和MAX14914A，通過(guò)在同一端口啟用模擬或數(shù)字、輸入或輸出功能，為數(shù)據(jù)采集（DAQ）、PLC和PAC（可編程自動(dòng)化控制器）系統(tǒng)提供模塊化的靈活性。這種組合通過(guò)用電子編組取代手動(dòng)有線編組，為動(dòng)態(tài)軟件配置提供了顯著優(yōu)勢(shì)，并增強(qiáng)了 IO 卡中的端口密度。

可配置的模擬和數(shù)字 IO 設(shè)備

MAX22000為動(dòng)態(tài)、軟件可配置、工業(yè)級(jí)模擬輸入/輸出（IO）器件，具有電壓和電流選項(xiàng)。MAX14914A為工業(yè)級(jí)數(shù)字IO器件，設(shè)計(jì)用于補(bǔ)充MAX22000，適用于通用IO應(yīng)用。參見(jiàn)圖 1，其中顯示了支持 2、3 和 4 線工作模式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 4 端子連接器的不同 IO 模式。這些器件共同在同一終端上實(shí)現(xiàn)可配置的模擬/數(shù)字IO功能，可支持表1中所述的所有常見(jiàn)信號(hào)類(lèi)型和范圍。

圖1.即時(shí)軟件可配置 IO。

工業(yè)信號(hào)

表 1 顯示了可編程控制器 IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)中列出的 PLC 應(yīng)用中的典型工業(yè)信號(hào)類(lèi)型、值和阻抗限值。

MAX22000可配置模擬IO

MAX22000工業(yè)級(jí)模擬IO可通過(guò)SPI總線進(jìn)行配置和控制（圖2）。該器件具有模擬輸出（18位DAC）、模擬輸入（24位三角積分ADC）和信號(hào)調(diào)理模塊，可促進(jìn)所有基本模擬輸入/輸出信號(hào)。MAX22000的不同構(gòu)建模塊、IO模式和用例示例詳見(jiàn)應(yīng)用筆記7134：MAX22000模擬IO配置。

圖2.MAX22000作為模擬IO。

MAX22000具有快速建立的18位DAC和24位三角積分（ΔΣ）ADC，可提供無(wú)縫模擬IO性能，適用于圖3所示的四象限應(yīng)用。這意味著它可以輸出正或負(fù)電壓以及灌電流或拉電流，無(wú)論電壓是正還是負(fù)。MAX22000具有極大的靈活性，非常適合精密應(yīng)用，如數(shù)據(jù)采集卡、PLC、PAC和其它過(guò)程控制系統(tǒng)。

圖3.四象限電壓/電流應(yīng)用。

準(zhǔn)確性、精密度和響應(yīng)時(shí)間

MAX22000采用24位ADC和18位DAC，具有非常高的精度規(guī)格，涵蓋增益和失調(diào)等參數(shù)，在室溫下可實(shí)現(xiàn)低至0.02%的最差情況精度。此外，低ppm/°C基準(zhǔn)和精心匹配的元件意味著MAX22000非常適合要求在寬工作溫度范圍內(nèi)具有精確性能的精密系統(tǒng)。更高的準(zhǔn)確性和精度以及快速的響應(yīng)時(shí)間使自動(dòng)化流程能夠更快地做出決策，從而創(chuàng)建強(qiáng)大、高質(zhì)量和可靠的解決方案。

MAX14914A可配置數(shù)字IO

典型的 PLC 卡包含更多數(shù)字 IO 端口和單獨(dú)的 IO 卡（如果不是特殊情況）。這不是一個(gè)優(yōu)化的解決方案，因?yàn)檫@些獨(dú)立的物理端口增加了空間、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和功耗。設(shè)計(jì)人員明白，擁有靈活的解決方案是最好的選擇。MAX14914A作為數(shù)字IO功能提供了這種靈活性，如圖4所示。

圖4.MAX14914A配置為數(shù)字輸入或輸出提供了靈活性。

MAX14914A具有可選的輸出類(lèi)型（推挽式或高壓側(cè)），同時(shí)考慮不同類(lèi)型的可用執(zhí)行器。只需軟件配置，無(wú)需外部修改，即可將器件設(shè)置為數(shù)字輸入模式，符合三種類(lèi)型的閾值信號(hào)電平。

拼湊在一起：可配置的 IO

在公共節(jié)點(diǎn)上組合數(shù)字和模擬IO時(shí)，主要挑戰(zhàn)是，即使數(shù)字引腳處于高阻抗，其漏電流仍會(huì)為精密模擬測(cè)量產(chǎn)生誤差源。Maxim通過(guò)創(chuàng)建具有極低漏電流的常用數(shù)字IO產(chǎn)品的修改版本來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，與MAX22000無(wú)縫配合。圖5所示為兩個(gè)IC（MAX22000和MAX14914A）位于同一端子的組合，以及使用該組合可最大限度減小的漏電流。

圖5.MAX22000和MAX14914A在可配置IO端的MAX14914A漏電流。

圖6和圖7顯示了MAX14914A在不同條件下的輸出漏電特性。使用某個(gè)模擬IO時(shí)，任何流入或傳出端子的電流都將不利于性能。當(dāng)邏輯電源輸入連接至DGND時(shí)，正0至+10V的漏電特性可以忽略不計(jì)。由于電壓為0至-10V，遠(yuǎn)低于器件工作電源的GND節(jié)點(diǎn)，MAX14914A可以承受欠壓，同時(shí)在兩種條件下將漏電流保持在100μA以下。如圖7所示，當(dāng)VL邏輯電源輸入連接到DGND時(shí)，當(dāng)輸出電壓為負(fù)時(shí)，漏電流幅度減小2倍。在正輸出電壓下，漏電流相對(duì)降低了100倍。在負(fù)輸出電壓下，校準(zhǔn)以校正漏電的線性趨勢(shì)將有助于提高系統(tǒng)精度。

圖6.MAX14914A輸出漏電（VL = 高/5V）。

圖7.MAX14914A輸出漏電（VL= 低/接地）。

Maxim的高壓工藝技術(shù)使MAX14914A和MAX22000無(wú)需使用外部保護(hù)器件即可無(wú)縫工作。這樣可以保持可靠性并保持性能不變，而不是在添加外部保護(hù)時(shí)由于泄漏而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

MAX22000評(píng)估板 - 實(shí)現(xiàn)和測(cè)試通用IO

MAX22000評(píng)估板（EV kit）提供評(píng)估MAX22000工業(yè)可配置模擬IO所需的硬件和軟件，既包括本地評(píng)估，也可與MAX14914A工業(yè)數(shù)字IO配合使用。MAX22000評(píng)估板通過(guò)USB端口與PC上運(yùn)行的圖形用戶(hù)界面（GUI）通信，如圖8所示。

可配置IO選項(xiàng)卡允許選擇所有工作模式，GUI照亮MAX22000和/或MAX14914A使用的信號(hào)路徑。圖8選擇數(shù)字輸入模式，顯示MAX22000上的GIO引腳如何配置MAX14914A的數(shù)字輸入工作，然后用于讀取輸入狀態(tài)。

圖8.MAX22000評(píng)估板和GUI有助于配置MAX22000和MAX14914。

MAX22000評(píng)估板演示器件在不同工作模式下的全溫度性能，結(jié)果見(jiàn)整個(gè)溫度范圍內(nèi)的性能。下一節(jié)討論的每種工作模式的配置都可以使用MAX22000評(píng)估板實(shí)現(xiàn)，評(píng)估板GUI中附有框圖。

溫度范圍內(nèi)的性能

在通用IO條件下，模擬IO部分必須提供 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)< ±0.1% FSR誤差，在系統(tǒng)級(jí)組合所有誤差源。在以下部分中，將觀察每種模式的性能摘要。

1. 模擬輸入電壓模式（± 12.5V）

圖9所示為使用MAX22000和MAX14914A的模擬輸入電壓配置。

圖9.模擬輸入電壓模式配置。

來(lái)自精密校準(zhǔn)器的電壓被強(qiáng)制通過(guò)端子 1 和 4。在這種情況下，AI3用于執(zhí)行模擬輸入采集。圖10顯示了在0.015%FSR以?xún)?nèi)觀察到的不同溫度下的誤差（%FSR）性能±。

圖 10.不同溫度下模擬輸入電壓模式的誤差 （%FSR） 性能。

端子上的電壓輸入通常由傳感器產(chǎn)生，傳感器可以處理端子中的漏電流，從而不影響其性能。

2. 模擬輸出電壓模式 （± 10V）

模擬輸出強(qiáng)制通過(guò)DAC的AOP和AON輸出。AI3輸入將端子1處測(cè)得的電壓反饋給DAC，DAC在阻性負(fù)載為1kΩ至100kΩ阻性負(fù)載時(shí)保持所需電壓，如圖11所示。

圖 11.模擬輸出電壓模式配置。

校準(zhǔn)是在空載和1kΩ負(fù)載下完成的。端子1的漏電流效應(yīng)預(yù)計(jì)會(huì)在較高負(fù)載（100kΩ）下產(chǎn)生最壞情況的誤差，但該誤差通過(guò)恒壓反饋來(lái)補(bǔ)償，該反饋通過(guò)AI3反饋到模擬輸出部分的內(nèi)部電路。這樣可以在端子上保持恒定的所需設(shè)定電壓，并且系統(tǒng)性能沒(méi)有顯著變化。圖13的以下性能曲線考慮了1kΩ的最差負(fù)載，顯示了負(fù)載對(duì)AOP/AONDAC輸出的影響。

圖12顯示了校準(zhǔn)后由于增加1kO負(fù)載而引入的偏差或誤差。觀察到該增益誤差在0.005% FSR±范圍內(nèi)。圖13觀察了模擬輸出模式下的可配置IO性能，在不同溫度下觀察到1kO在0.015%FSR以±。

圖 12.不同負(fù)載下模擬電壓輸出的誤差 （%FSR），在空載時(shí)執(zhí)行校準(zhǔn)。

圖 13.1kΩ負(fù)載下不同溫度下模擬電壓輸出的誤差（%FSR）。

3. 模擬輸出電流模式 （± 20mA）

模擬電流輸出源/灌電流通過(guò)DAC的AOP、AON輸出工作。AI1和AI2輸入將精密電阻兩端測(cè)得的電流反饋至DAC，DAC將所需電流保持在幾歐姆至500Ω阻性負(fù)載之間，如圖14所示。校準(zhǔn)在5O負(fù)載下完成，假設(shè)測(cè)量的最壞情況負(fù)載為500Ω。

圖 14.模擬輸出電流模式配置。

電流環(huán)路應(yīng)用中的預(yù)期負(fù)載范圍為250Ω，但最大可能為500O。在 500Ω 負(fù)載± 20mA 電流時(shí)，產(chǎn)生 ± 10V 電壓（圖 15）。因此，在-20mA至0V范圍內(nèi)，漏電流比正極更大。圖15顯示了20mA應(yīng)用±誤差性能，正如預(yù)期的那樣，負(fù)環(huán)路電流下的性能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為0.13%FSR。與環(huán)路電流的正方向相比，漏電流可以忽略不計(jì)，從而保持高性能，如圖16和圖17所示。圖16顯示了由于包含500Ω而引入的誤差，圖17顯示了在0.03%FSR內(nèi)觀察到的不同溫度下的誤差（%FSR）性能。

圖 15.總誤差 （%FSR） 與 20mA 輸出電流±關(guān)系

圖 16.模擬電流輸出與不同負(fù)載比較的誤差（%FSR）（使用5Ω負(fù)載執(zhí)行校準(zhǔn)）。

圖 17.500Ω負(fù)載和正環(huán)路電流下模擬電流輸出在不同溫度下的誤差（%FSR）。

電流環(huán)路中的負(fù)載通常會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)隨著工業(yè)過(guò)程的成熟而變化，在工業(yè)車(chē)間的不同要求和時(shí)間段內(nèi)。考慮到這種情況，對(duì)于負(fù)載未知（幾歐姆至500O）的通用電流環(huán)變送器應(yīng)用，可配置IO（MAX22000和MAX14914A）僅用于正方向（0-20mA）。

如上一節(jié)所示，當(dāng)輸出電流為負(fù)時(shí)，MAX14914A漏電的影響不可忽略，不利于在任何未知負(fù)載下實(shí)現(xiàn)<0.1%的FS性能。但在PLC環(huán)境中的大多數(shù)實(shí)際情況下，在電流環(huán)變送器系統(tǒng)中，在啟動(dòng)階段，負(fù)載是確定的（當(dāng)存在可接受的負(fù)載時(shí)檢測(cè)開(kāi)路/短路故障）。當(dāng)負(fù)載已知且固定時(shí)，可以在使用此已知固定負(fù)載的校準(zhǔn)序列期間以負(fù)電流補(bǔ)償誤差。由于誤差的性質(zhì)是線性的，因此單點(diǎn)負(fù)滿量程校準(zhǔn)可以補(bǔ)償產(chǎn)生的誤差，從而大幅提高誤差預(yù)算。

4. 模擬輸入電流模式 （± 20mA）

典型的4-20mA發(fā)送器是連接在端子1和端子4的500Ω負(fù)載上的環(huán)路，如圖18所示。精密負(fù)載通過(guò)50Ω電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后在AI5和AI6上測(cè)量。由于阻性負(fù)載是已知的，并且是模擬輸入功能的一部分，因此通常將其放置在板上，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。漏電流的影響在校準(zhǔn)序列期間得到補(bǔ)償。圖19觀察到了不同溫度下的誤差（%FSR）性能，±0.005%以?xún)?nèi)。

圖 18.模擬輸入電流模式配置。

為了實(shí)現(xiàn)低于0.1%FS的系統(tǒng)性能目標(biāo)，選擇溫度系數(shù)為5ppm/°C至10ppm/°C的電阻可實(shí)現(xiàn)精確的性能。考慮一個(gè)10ppm/°C溫度系數(shù)（溫度系數(shù)）500Ω電阻的情況。超過(guò)100°C時(shí)，電阻變化約為±0.5Ω，總誤差為±0.05%FSR。這為來(lái)自其他設(shè)備的誤差源留下了很少的空間。精密電阻器的選擇將決定系統(tǒng)的性能。

圖 19.500Ω負(fù)載下不同溫度下模擬電流輸出的誤差（%FSR）。

5. 模擬輸入電流 （0-20mA） 采用現(xiàn)場(chǎng)電源 +24V

在模擬輸入電流模式下（見(jiàn)圖20），HVDD/HVDDO 為 +32V，HVSS/HVSSO 為 -14V，以適應(yīng)端子的現(xiàn)場(chǎng)電源。HVDD 和 HVSS 的總絕對(duì)最大電壓為 48V，因此 HVSS/HVSSO 使用 -14V。

圖 20.模擬輸入電流模式，端子1處現(xiàn)場(chǎng)供電+24V。

這種獨(dú)特的模式與MAX22000的內(nèi)部DAC配合使用，在端子1為傳感器（電流發(fā)送器）提供+24V的現(xiàn)場(chǎng)電源。在這種情況下，高壓側(cè)檢測(cè)在50Ω精密電阻上完成。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電源需要+24V時(shí)，此模式僅支持0-24mA電流。電流檢測(cè)放大器的 AI1 和 AI2 輸入用于測(cè)量源向傳感器的電流。由于考慮了0-24mA和端子1的正電壓，泄漏引起的誤差源可以忽略不計(jì)。 如圖21所示，由于校準(zhǔn)的性質(zhì)，在零刻度處觀察到0.03%的誤差偏移。校準(zhǔn)是在端子處使用0V的電流源進(jìn)行的。當(dāng)+24V現(xiàn)場(chǎng)電源因應(yīng)用正常工作而使能時(shí)，CSA的CMRR會(huì)引入誤差。當(dāng)使用電流源和端子+24V完成校準(zhǔn)時(shí)，可以避免這種零電平誤差偏移。此模式提供 ±0.04%FSR 錯(cuò)誤。

圖 21.不同溫度下的誤差 （%FSR） 性能。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電源需要更高的精度時(shí)，在MAX22000上配置現(xiàn)場(chǎng)電源使用單獨(dú)的校準(zhǔn)序列可以緩解這個(gè)問(wèn)題。

結(jié)論

集成MAX22000和MAX14914A模擬IO和數(shù)字IO模塊，可在工業(yè)或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中整合和高效利用輸入和輸出端口。 通過(guò)結(jié)合MAX22000和MAX14914A，可以在不同的輸入和輸出模式下實(shí)現(xiàn)高精度的精密系統(tǒng)。滿量程誤差性能表明，它非常適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）、工業(yè)PLC、PAC、過(guò)程控制和精度低于0.1%FS的分布式系統(tǒng)。 如果考慮為AO電流模式添加校準(zhǔn)序列，則系統(tǒng)在整個(gè)4象限V/I輸入和輸出系統(tǒng)中能夠以低于0.1%FS的精度運(yùn)行。

審核編輯：郭婷