系统板 5562

Campbell (MAXREFDES4#): 16位、高精度4-20mA输入隔离模拟前端(AFE)



简介


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在工业控制和工业自动化应用中,通常需要高分辨率数据转换器。虽然今天的现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器内部集成了模/数转换器(ADC),但在多数情况下, ADC的分辨率不高,也缺乏足够的隔离。Campbell子系统参考设计(MAXREFDES4#)为16位高精度工业模拟前端(AFE),可接收一路4-20mA电流环或一路0.2V至4.096V的电压输入信号,提供隔离电源和完整的数据采集小型化设计。Campbell设计包括高精度低噪声缓冲器(MAX44250)、高精度ADC (MAX11100)、超高精度4.096V电压基准(MAX6126)、600VRMS数据隔离器(MAX14850),以及隔离的5V电源(MAX256/MAX1659)。这个AFE方案可以用于任何高精度模/数转换场合,但主要针对工业传感器、工业自动化、过程控制、可编程逻辑控制器(PLC)医学应用

Campbell子系统设计框图
图1. Campbell子系统设计框图

特性

应用

  • 高精度
  • 4–20mA电流环输入
  • 0.2V到4.096V输入范围
  • 隔离电源和数据
  • 小尺寸印制板(PCB)
  • 设备驱动器
  • 示范C源代码
  • Pmod™兼容
  • 工业传感器
  • 过程控制
  • 工业自动化
  • PLC
  • 医疗



简介


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 (2MB)

在工业控制和工业自动化应用中,通常需要高分辨率数据转换器。虽然今天的现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器内部集成了数/模转换器(ADC),但在多数情况下,ADC的分辨率不高,也缺乏足够的隔离。Campbell子系统参考设计(MAXREFDES4#)为16位高精度工业模拟前端(AFE),可接收一路4-20mA电流环或一路0.2V至4.096V的电压输入信号,提供隔离电源和完整的数据采集小型化设计。Campbell设计包括高精度低噪声缓冲器(MAX44250)、高精度ADC (MAX11100)、超高精度4.096V电压基准(MAX6126)、600VRMS数据隔离器(MAX14850),以及隔离的5V电源(MAX256/MAX1659)。这个AFE方案可以用于任何高精度模/数转换场合,但主要针对工业传感器、工业自动化、过程控制、可编程逻辑控制器(PLC)和医学应用。

Campbell子系统设计框图
图1. Campbell子系统设计框图

特性

应用

  • 高精度
  • 4–20mA电流环输入
  • 0.2V到4.096V输入范围
  • 隔离电源和数据
  • 小尺寸印制板(PCB)
  • 设备驱动器
  • 示范C源代码
  • Pmod™兼容
  • 工业传感器
  • 过程控制
  • 工业自动化
  • PLC
  • 医疗

硬件详细说明

3.3V和5V两种模块均提供Pmod引脚排列和其它引脚排列。该模块为3.3V供电版本,其SPI引脚排列如右图所示。

供电要求如表1所示,当前支持的平台及其端口见表2。

表1. Campbell子系统参考设计的电源选择

电源形式 跳线 输入电压(V) 输入电流 (mA, typ)
板上隔离电源 JU3: 1–2
JU4: 2–3
3.3 72.5
外部电源 JU3: 2–3
JU4: 1–2
12 10.7

表2. 支持平台和端口

支持平台 Port
Nexys3平台(Spartan®-6) JB1
ZedBoard平台(Zynq®-7020) JA1

Campbell子系统非常适合高精度4-20mA电流环或0.2V - 4.096V输入范围的数据采集系统。硬件设计同时提供电源隔离(MAX256)和数据隔离(MAX14850)。

MAX44250运放(U1)输入电路通过一个200 Ω负载电阻将4–20mA电流环转换成电压(JU2闭合)或连接0.2V- 4.096V (JU2开路)电压信号。

TMAX11100 (U2)为16位逐次逼近(SAR) ADC,具有AutoShutdown™1.1µs快速唤醒功能。ADC基准输入由MAX6126超高精度4.096V电压基准(U3)驱动,具有0.02%初始精度和3ppm/°C最大温漂系数。

MAX256 (U4)提供隔离电源方案,利用现成的TGM-H281NF Halo®变压器,主副边匝数比为1:2.6,配合板上倍压电路将3.3V转换成12V输出。利用MAX1659 低压差稳压器实现后续稳压(U5用于12V输出、U6用于5V模拟电源输出、U8用于5V数字供电电源输出)。数据隔离采用MAX14850 (U5)数字数据隔离器完成,电源和数据隔离可达600V RMS。

需要使用板上隔离电源时,将跳线JU3的1–2位置短接,跳线JU4的2–3位置短接。如果不需要板上隔离电源,可以采用外部12V直流电源。将跳线JU3的2–3位置短接,跳线JU4的1–2 位置短接。连接外部电源的地到GND2接头,连接12V直流电源到EXT_V接头。跳线设置和输入电流需求如表1所示。

固件详细描述 - Nexys™ 3平台

Campbell固件针对Nexys3开发板设计,专用于Xilinx® Spartan-6 FPGA内部的MicroBlaze™软核微控制器。可能会定期在固件中加入设计文件以支持附加平台,目前所支持的平台和端口如表2所示。

该固件用于演示如何连接硬件接口、获取采集样本,并把它们保存到存储器内,简单的流程如图2所示。固件利用Xilinx SDK工具包,用C语言编写,基于Eclipse™的开源标准。Campbell定制功能采用的是标准的Xilinx XSpi核版本3.03a。SPI时钟频率为3.125MHz。

Campbell固件流程图
图2. Campbell固件流程图

固件接受命令、写状态,并可通过一个虚拟COM端口下载采样数据包,将其存入标准的终端程序。提供完整的源代码,帮助客户加速开发。程序文件可以在相关的固件平台文件中找到。

Detailed Description of Firmware for ZedBoard Platform

The Campbell firmware design is also developed and tested for the ZedBoard kit and targets an ARM® Cortex® -A9 processor placed inside a Xilinx Zynq system-on-chip (SoC).

An AXI MAX11100 custom IP core is created for this reference design to optimize the sampling rate and SPI timing stability.

The firmware is a working example of how to interface to the hardware, collect samples, and save them to memory. The simple process flow is shown in Figure 2b. The firmware is written in C using the Xilinx SDK tool, which is based on the Eclipse open source standard. Custom Campbell-specific design functions were created utilizing the AXI MAX11100 custom IP core. The SPI clock frequency is set to 4.54MHz when a 189.4ksps sampling rate is selected. The SPI clock frequency is set to 2.5MHz for all other sampling rate.

Figure 2b. The Campbell firmware flowchart for ZedBoard platform.
Figure 2b. The Campbell firmware flowchart for ZedBoard platform.

The firmware accepts commands, writes statuses, and is capable of downloading blocks of sampled data to a standard terminal program via a virtual COM port. The complete source code is provided to speed up customer development. Code documentation can be found in the corresponding firmware platform files.

需要设备:

  • 带有2个USB口的Windows计算机
  • Campbell (MAXREFDES4#)板
  • Campbell支持平台(Nexys 3或ZedBoard开发工具包)
  • 4-20mA电流环传感器或其它信号源

下载Campbell快速评估指南,按照说明书提供的步骤进行评估:

Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速评估指南.
Campbell (MAXREFDES4#) ZedBoard快速评估指南.

实验测量

使用设备:

  • Audio Precision® SYS-2722音频信号源或同等信号源
  • 电压校准表DVC-8500
  • 带双USB口的Windows计算机
  • Campbell (MAXREFDES4#)板
  • Nexys 3开发工具包
  • 12V直流电源(仅用于外部电源测试)

测试Campbell设计时须谨慎选择合适的设备,测试任何高精度设计的关键在于选择比被测件精度更高的信号源和测试设备。必须采用低失真信号源以复现真实的结果。输入信号由Audio Precision SYS-2722产生,利用Mitov Software SignalLab的FFT控件生成FFT变换。

板上隔离电源供电条件下的交流和直流性能如图3和图4所示;外部电源供电时的交流和直流性能如图5和图6所示。


图3. 采用在板上隔离电源供电时的交流FFT,输入信号为0.2V-4.08V 1kHz正弦波,高阻输入,采样率20ksps,Blackman-Harris窗。


图4. 采用板上隔离电源供电时的直流直方图;2.0V输入信号、高阻输入,20ksps采样速率,样本数为65,536;码值分布在6个LSB,以96.57%的概率位于中心的三个LSB,标准方差为0.702。


图5. 外部电源供电时的交流FFT变换,0.2V-4.08V 1kHz正弦波输入信号,高阻输入,20ksps 采样速率,Blackman-Harris窗。


图6. 采用外部电源的直流直方图,2.0V输入信号;高阻输入;20ksps采集速率,样本数为65,536;码值分布在7个LSB,以96.94%的概率位于中心的三个LSB,标准方差为0.721。

快速评估

需要设备:

  • 带有2个USB口的Windows计算机
  • Campbell (MAXREFDES4#)板
  • Campbell支持平台(Nexys 3或ZedBoard开发工具包)
  • 4-20mA电流环传感器或其它信号源

下载Campbell快速评估指南,按照说明书提供的步骤进行评估:

Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速评估指南.
Campbell (MAXREFDES4#) ZedBoard快速评估指南.

资源、工具

MAX14850
六通道数字隔离器

  • 高压保护
  • 完整的数字隔离方案
  • 兼容多种接口标准

MAX44250
20V、超高精度、低噪声运算放大器

  • 2.7V至20V供电范围
  • 集成EMI滤波器
  • 室温下,输入失调电压为6µV (最大值)

MAX11100
16位、+5V、200ksps ADC,具有10µA关断模式

  • 16位分辨率,无丢码
  • +5V单电源供电
  • 可调节逻辑电平(2.7V至5.25V)

MAX256
3W原边变压器H桥驱动器,用于隔离电源

  • 可为隔离电源中的变压器提供高达3W的功率
  • +5V或+3.3V单电源供电
  • 可通过电阻编程设置内部振荡器模式

MAX6126
超高精度、超低噪声、串联型电压基准

  • 1.3µVP-P超低噪声(0.1Hz至10Hz,2.048V输出)
  • 3ppm/°C (最大值)超低温度系数
  • ±0.02% (最大值)初始精度

MAX1659
350mA、16.5V输入、低压差线性稳压器

  • Wide Input Voltage Range: 2.7V to 16.5V
  • Low, 490mV Dropout at 350mA Output Current (MAX1659)
  • 30µA Supply Current