システムボード 5839

Alameda (MAXREFDES24#):4チャネルアナログ出力



Alameda (MAXREFDES24#)リファレンスデザインは、マルチチャネルアナログ出力モジュール用のスケーラブルなソリューションを特長とします。設定可能な4チャネル設計は、最大24mA/12Vまでのすべての標準的バイポーラ電流および電圧出力範囲を生成し、総合未調整誤差(TUE)は±0.1% (typ)以下です。内蔵の電源およびケーブル障害検出によって、堅牢な産業用制御アプリケーションに必要な診断機能が提供されます。

バッファ内蔵、4チャネル、16ビットデジタル-アナログコンバータ(DAC)のMAX5134は低電圧信号を生成し、4つの信号コンディショナ(出力ドライバ)のMAX15500の入力を駆動します。どちらのデバイスも絶縁型SPIバス上でホストと通信し、デイジーチェーン接続によって高チャネル数を必要とする設計に対応可能です。MAX6126は回路への高精度電圧リファレンスを生成し、広い環境条件にわたって最大の性能を実現します。また、この設計には、ピーク電流モードフライバックコントローラのMAX17498Bを使用した、広いDC入力範囲の絶縁型電源回路も組み込まれています。

このボードは小型のプラグイン可能な形状で設計されているため、PCによる容易な評価 (MAXREFDES24EVSYSデザインアクセラレータキットを使用)や、LX9またはZedBoard Xilinxベースのプラットフォームを使用した開発が可能です。詳細および性能データについては、「詳細」タブを参照してください。設計ファイルおよびファームウェアは、「設計リソース」タブからダウンロード可能です。

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特長

  • 設定可能な高精度電流/電圧出力
  • 電流出力:最大1kΩを駆動
  • 電圧出力:最低1kΩの負荷を駆動
  • 広範なエラー通知
  • 絶縁型電源およびデータ
  • デバイスドライバ
  • Cのソースコード例
  • Pmod対応形状

競争優位性

  • 柔軟性
  • システムの安全性
  • 小型ソリューションサイズ

アプリケーション

  • PLC
  • DCS
  • 分散型I/O
  • 産業用制御およびオートメーション

はじめに

PLCおよびDCSシステムでは、アナログ出力電流および電圧が重要な制御および作動機能を提供します。図1に示すAlameda (MAXREFDES24#)リファレンスデザインは、産業用制御の要件に適合する4つの柔軟で設定可能なアナログ出力を提供します。

システムの中心となるのはMAX5134です。この4チャネル、16ビット、高精度デジタル-アナログコンバータ(DAC)は、4つの信号コンディショナのMAX15500の入力を駆動する電圧出力を提供します。これらの信号コンディショナは、ユーザー設定可能な高精度電流または電圧出力を生成します。また、MAX15500は広範なエラー通知も提供します。MAX6126は、DACおよび出力コンディショナ用の超高精度電圧リファレンスを生成します。MAX14850は、データ通信をフィールド側およびシステムコントローラからガルバニック絶縁します。

Alamedaは、絶縁型、広DC入力範囲、フライバックコンバータ電源も内蔵しています。ピーク電流モードフライバックコントローラのMAX17498Bは、絶縁型トランスを効率的に駆動して±24Vおよび+8V出力を生成します。次に、低ドロップアウト(LDO)リニアレギュレータのMAX1659が、+8V出力を+5V低ノイズ出力に安定化します。システム全体で必要な電力は、1つの24V入力のみです。

このサブシステムは、すべての標準的バイポーラ電流および電圧出力範囲(および適切なサブセット)を備え、総合未調整誤差(TUE)は±0.1% (typ)以内です。また、この回路はオープン回路検出、ブラウンアウト検出、過熱保護、短絡および過電流保護も提供します。これらは、いずれも産業アプリケーションにとって非常に重要です。柔軟なパワーアップオプションを備えているため、Alamedaは堅牢な産業用制御システムに最適です。

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図1. Alamedaサブシステムデザインのブロック図

図1. Alamedaサブシステムデザインのブロック図

特長

  • 設定可能な高精度電流/電圧出力
  • 電流出力:最大1kΩを駆動
  • 電圧出力:最低1kΩの負荷を駆動
  • 広範なエラー通知
  • 絶縁型電源およびデータ
  • デバイスドライバ
  • Cのソースコード例
  • Pmod対応形状

競争優位性

  • 柔軟性
  • システムの安全性
  • 小型ソリューションサイズ

アプリケーション

  • PLC
  • DCS
  • 分散型I/O
  • 産業用制御およびオートメーション

ハードウェアの詳細

Alamedaは、Pmod対応フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)/マイクロコントローラ開発ボードに接続します。Alamedaは、Pmodコネクタからの3.3V電源電圧を必要とし、右の図に示すSPIピン割当てを使用します。

電源要件を表1に示します。完全なシステム動作には外部+24V電源が必要になることに注意してください。現在サポートされているプラットフォームおよびポートを表2に示します。

表1. Alamedaサブシステムリファレンスデザインの電源要件
Power Name Input Voltage (V) Input Current (mA, typ)
3.3V Pmod Power Supply 3.3 6
+24V 18 to 32 140
表2. サポート対象プラットフォームおよびポート
Supported Platforms Communication Ports Physical Support Ports
LX9 platform (Spartan®-6) J4 J5 (no electrical connection)
ZedBoard platform (Zynq®-7020)* JB1 JA1 (no electrical connection)

*ZedBoard Rev Cで試験済み。

MAX15500 (U1~U4)は、1チャネル、低コスト、高精度アナログ電流/電圧出力コンディショナで、PLCおよびその他の産業用制御およびオートメーションアプリケーションの要件に適合するように開発されています。MAX15500は、±15V~±32.5Vの電源範囲で動作します。

MAX15500は、ユニポーラとバイポーラの両方の電流および電圧出力を生成することができます。電流モードでは、このデバイスは-1.2mA~+24mAまたは-24mA~+24mAの電流を生成します。電圧モードでは、このデバイスは-0.3V~+6V、-0.6V~+12V、または±12Vの電圧を生成します。ユニポーラモードでオーバーレンジ/アンダーレンジ機能を可能にするため、MAX15500の伝達関数は、AINの電圧がフルスケールの5%のときに、IOUTが0mAおよびVOUTが0Vになるようにオフセットされています。VAINがフルスケールに達すると、VOUTまたはIOUTは(FSMODE端子の状態に応じて)フルスケール+5%または+20%になり、IOUTは(RSENSEの抵抗の値に応じて)フルスケール+5%または+20%になります。一般的な出力モードおよびそれぞれのオーバーレンジ制御ジャンパの概要を表3に示します。

表3. オーバーレンジ制御ジャンパ
Output Mode Overrange Control
FSMODE (JU1, JU3, JU5, JU7) RSENSE (JU2, JU4, JU6, JU8)
Current + 5% Don't Care Jumper 2:3
Current + 20% Jumper 1:2
Voltage + 5% Jumper 1:2 Don't Care
Voltage + 20% Jumper 2:3

MAX15500は、OUTがグランドまたは最大±24Vの電源電圧になった場合の過電流および短絡状態に対する保護を備えています。しかし、多くのシステムでは追加のポート保護が必要です。保護回路および部品の詳細については、アプリケーションノート6008 「Protection: How Much Is Enough for an Analog Output」を参照してください。また、このデバイスは過熱および電源ブラウンアウト状態も監視します。電源ブラウンアウトのスレッショルドは、±10V~±24Vの範囲で2Vステップの設定が可能です。MAX15500は、短絡、オープン回路、ブラウンアウト、および過熱状態の広範なエラー通知を、SPIインタフェースおよび追加のオープンドレイン割込み出力(ERROR)を介して提供します。また、MAX15500はOUTの負荷状態を監視するためのアナログ0~3V出力(MON)も備えています。

MAX5134 (U5)は、クワッド16ビット、バッファ内蔵電圧出力、高リニアリティDACです。このデバイスは、4チャネル、超低デッドバンド(0.02V max)レール・ツー・レール出力を備えています。ほとんどのアプリケーションでは、負のバイアス電源は不要です。

MAX6126 (U6)は、初期精度0.02%の初期精度と3ppm/℃の最大温度係数(tempco)を備えた超高精度4.096V電圧リファレンスで、アナログ出力コンディショナおよびDACのリファレンス入力を駆動します。

DACの出力は、外付け部品なしでコンディショナの入力を直接駆動するため、インタフェースが簡素になります。

MAX17498B (U8)は、+18V~+32V DCの単一電圧を入力として、フライバックアーキテクチャの絶縁型トランスを使用してそれを±24Vおよび+8Vに変換する、絶縁型の、機能絶縁クラスの電源ソリューションを提供します。ポストレギュレーションは5V出力に対してMAX1659 LDO (U9)を使用して実現されます。

サブシステムとコントローラ間のデータ絶縁は、デジタルデータアイソレータのMAX14850 (U7)を使用して実現されます。電源とデータの組合せで実現される絶縁は600VRMSです。

LX9およびZedBoardプラットフォーム用ファームウェアの詳細

表2に、現在サポートされているプラットフォームおよびポートを示します。その他のプラットフォームのサポートは、「全設計ファイル」の項の「ファームウェアファイル」に定期的に追加される可能性があります。

LX9開発キット用に公開されているAlamedaファームウェアは、Xilinx® Spartan-6 FPGA内のMicroblazeソフトコアマイクロコントローラを対象としています。AlamedaファームウェアはZedBoardキットもサポートしており、Xilinx Zynqシステムオンチップ(SoC)内のARM® Cortex®-A9プロセッサを対象としています。

ファームウェアは、システムを起動してユーザーの入力を待つ方法を示す、実際に動作する例です。ユーザーは出力モードを選択し、DAC入力コードを入力することができます。簡単な処理フローを図2に示します。ファームウェアは、オープンソース規格のEclipseに基づくXilinxソフトウェア開発キット(SDK)ツールを使用してC言語で記述されています。標準Xilinx XSpiコアのバージョン3.03aを利用して、Alameda固有の独自設計機能が作成されました。SPIクロック周波数は、LX9プラットフォーム上では2MHzに設定され、ZedBoardプラットフォーム上では3.125MHzに設定されています。

図2. Alamedaファームウェアのフローチャート
図2. Alamedaファームウェアのフローチャート

お客様の開発を迅速化するために、完全なソースコードが提供されています。コードの説明は、対応するファームウェアプラットフォームファイルに記載されています。

クイックスタート

MAXREFDES24#の必要機器:

  • 2つのUSBポートを備えたWindows® PC
  • Alameda (MAXREFDES24#)ボード
  • Alcatrazがサポートしているプラットフォーム(すなわち、LX9開発キットまたはZedBoardキット)
  • 1つの24V、150mA (min) DC電源
  • 1つの750Ω、0.25W抵抗

適切なAlameda Quick Start Guideをダウンロードして読み、記載されている各ステップに注意深く従ってください。
MAXREFDES24EVSYSユーザーマニュアル
Alameda (MAXREFDES24#) LX9クイックスタートガイド
Alameda (MAXREFDES24#) ZedBoardクイックスタートガイド

MAXREFDES24EVSYSキットの説明

MAXREFDES24EVSYSデザインアクセラレータキットを使用すると、デザインの機能を迅速に実証および評価することが可能で、ベンチ電源、デジタルマルチメーター、または開発キットは不要です。リファレンスデザインボードは、ボードへのデータ通信を提供する付属のUSB-SPIアダプタ(USB2PMB1)を介してPCに接続します。24V DC電源を提供するための汎用電源アダプタと、最大10V (または選択可能な終端抵抗を使用する場合20mA)のユニポーラアナログ制御信号を測定するためのUSB給電の信号キャプチャボード(MAXADCLite2)が含まれています。

Windows®ベースのグラフィカルユーザーインタフェース(GUI)は、ボードと通信し、さまざまなアナログ信号テストパターンの生成とキャプチャを行います。出力コンディショナのMAX15500のデジタル診断機能を実証するための直観的なアラームインタフェースも提供されます。

詳細については、MAXREFDES24EVSYS#のユーザーマニュアルを参照してください。

実験室での測定結果

使用した機器

  • Alameda (MAXREFDES24#)ボード
  • FPGA開発キット
  • 1つの750Ω、0.25W抵抗負荷
  • Agilent 3458Aデジタルマルチメーター
  • Agilent E3631A DC電源(任意の24V、150mA (min) DC電源を使用可能)
  • National Instruments製GPIBカードおよびケーブル
  • Thermonics T-2800高精度温度強制システム
  • FPGA開発キットおよび測定機器を制御するためのPerlスクリプト
  • Windows PC

INL、DNL、およびTUEは、PLCおよびその他のプロセス制御システムにとって最も重要な仕様です。MAX15500は非常に柔軟で設定自由度が高いため、さまざまなアプリケーションの必要を満たします。下記のデータは、+25℃で取得されました。以下の図で、コード0~320はMAX5134のデッドバンド(0~0.02V)内のため、最初の320のDACコードに対するDNL、INL、およびTUEは0として示されています。

-10V~+10Vの電圧出力モードに対するDNL、INL、およびTUEの測定結果(20%オーバーレンジ)を、それぞれ図3図4、および図5に示します。


図3. -10V~+10Vの出力範囲に対するDNL (20%オーバーレンジ)


図4. -10V~+10Vの出力範囲に対するINL (20%オーバーレンジ)


図5. -10V~+10Vの出力範囲に対する出力誤差(20%オーバーレンジ)

0~10Vの電圧出力モードに対するDNL、INL、およびTUEの測定結果(20%オーバーレンジ)を、それぞれ図6図7、および図8に示します。


図6. 0~10Vの出力範囲に対するDNL (20%オーバーレンジ)


図7. 0~10Vの出力範囲に対するINL (20%オーバーレンジ)


図8. 0~10Vの出力範囲に対する出力誤差(20%オーバーレンジ)

-20mA~+20mAの電流出力モードに対するDNL、INL、およびTUEの測定結果(20%オーバーレンジ)を、それぞれ図9図10、および図11に示します。


図9. -20mA~+20mAの出力範囲に対するDNL (20%オーバーレンジ)


図10. -20mA~+20mAの出力範囲に対するINL (20%オーバーレンジ)


図11. -20mA~+20mAの出力範囲に対する出力誤差(20%オーバーレンジ)

0~20mAの電流出力モードに対するDNL、INL、およびTUEの測定結果(20%オーバーレンジ)を、それぞれ図12図13、および図14に示します。


図12. 0~20mAの出力範囲に対するDNL (20%オーバーレンジ)


図13. 0~20mAの出力範囲に対するINL (20%オーバーレンジ)


図14. 0~20mAの出力範囲に対する出力誤差(20%オーバーレンジ)

ARMはARM Limitedの登録商標および登録サービスマークです。
Audio PrecisionはAudio Precision, Inc.の登録商標です。
CortexはARM Limitedの登録商標です。
EclipseはEclipse Foundation, Inc.の商標です。
WindowsはMicrosoft Corporationの登録商標および登録サービスマークです。
XilinxはXilinx, Inc.の登録商標および登録サービスマークです。
ZedBoardはZedBoard.orgの商標です。
ZynqはXilinx, Inc.の登録商標です。

クイックスタート

MAXREFDES24#の必要機器:

  • 2つのUSBポートを備えたWindows® PC
  • Alameda (MAXREFDES24#)ボード
  • Alcatrazがサポートしているプラットフォーム(すなわち、LX9開発キットまたはZedBoardキット)
  • 1つの24V、150mA (min) DC電源
  • 1つの750Ω、0.25W抵抗

適切なAlameda Quick Start Guideをダウンロードして読み、記載されている各ステップに注意深く従ってください。
MAXREFDES24EVSYSユーザーマニュアル
Alameda (MAXREFDES24#) LX9クイックスタートガイド
Alameda (MAXREFDES24#) ZedBoardクイックスタートガイド

 
Status:
Package:
Temperature:

MAX14850
6チャネルデジタルアイソレータ

  • 高電圧環境からの保護
  • 完全なデジタル絶縁ソリューション
  • 多数のインタフェース規格に適合

MAX17498B
AC-DCおよびDC-DCピーク電流モードコンバータ、フライバック/ブーストアプリケーション用

  • ピーク電流モードコンバータ
  • 電流モード制御によって優れた過渡応答を提供
  • 固定スイッチング周波数

MAX15500
産業用アナログ電流/電圧出力コンディショナ

  • 電源電圧:±32.5V (max)
  • 出力保護:±35V (max)
  • 設定可能な出力(およびオーバーレンジ)

MAX5134
ピン/ソフトウェアコンパチブル、16/12ビット、電圧出力DAC

  • 16/12ビット分解能、24ピンTQFNパッケージ(4mm x 4mm)または16ピンTSSOP
  • 起動時またはリセット時にDAC出力をゼロ/ミッドスケールにハードウェア選択可能
  • ダブルバッファされた入力レジスタ

MAX6126
超高精度、超低ノイズ、シリーズ電圧リファレンス

  • 超低ノイズ:1.3µVP-P (0.1Hz~10Hz、出力2.048V)
  • 超低温度係数:3ppm/℃ (max)
  • 初期精度:±0.02% (max)

MAX1659
350mA、16.5V入力、低ドロップアウトリニアレギュレータ

  • 広入力電圧範囲:2.7V~16.5V
  • 低ドロップアウト:490mV (出力電流350mA、MAX1659)
  • 消費電流:30µA
種類 ID PDF タイトル
ユーザーガイド 5846 Alameda (MAXREFDES24#) LX9 Quick Start Guide
ユーザーガイド 5847 Alameda (MAXREFDES24#) ZedBoard Quick Start Guide
アプリケーションノート 6008 Protection: How Much is Enough for An Analog Output?