システムボード 5944

MAXREFDES74#:18ビット高精度データ収集システム



MAXREFDES74#システムボード 拡大表示+

はじめに

リファレンスデザインのMAXREFDES74#は、マキシムの最新式、高精度、低電力データコンバータに基づいて、高速、18ビット、高精度データ取得を行います。MAXREFDES74#の設計は、産業用プロセス制御/産業オートメーション用の高速、低電力、高精度データ収集および制御システム、および配電/配電オートメーション用の高速保護システムのためのビルディングブロックとして機能します。ADCおよびDACをピンコンパチブルなMAX11166やMAX5316などの16ビットデバイスに変更することによって、16ビットデータ収集システムのテストも可能です。

リファレンスデザインのMAXREFDES74#は、以下を特長とします。

  • 電源およびデータの絶縁
  • 柔軟性が高く、設定可能な反転または非反転入力構成
  • ユニポーラまたはバイポーラ入力(ADC)および出力(DAC)

MAX11156

  • 分解能:18ビット、ミッシングコードなし
  • SN比:94.4dB
  • THD:-107dB (1kHz時)
  • バッファを備えた内部または外部電圧リファレンス入力
  • 内部リファレンスの温度係数:-6ppm/℃ (typ)
  • 単一電源:5V
  • 真のバイポーラ入力範囲:±5V

MAX5318

  • 分解能:18ビット、ミッシングコードなし
  • 高精度INL:±2 LSB (max)
  • セトリング時間:3µs
  • ユーザー設定可能なオフセットおよび利得較正
  • 温度に対するオフセットおよび利得ドリフト:±0.5ppm/℃ (typ)
  • フォース/センス出力
  • 50MHz SPI対応インタフェース:1.8V~5.5Vロジック

はじめに

リファレンスデザインのMAXREFDES74#は、マキシムの最新式、高精度、低電力データコンバータに基づいて、高速、18ビット、高精度データ取得を行います。MAXREFDES74#の設計は、産業用プロセス制御/産業オートメーション用の高速、低電力、高精度データ収集および制御システム、および配電/配電オートメーション用の高速保護システムのためのビルディングブロックとして機能します。ADCおよびDACをピンコンパチブルなMAX11166やMAX5316などの16ビットデバイスに変更することによって、16ビットデータ収集システムのテストも可能です。

リファレンスデザインのMAXREFDES74#は、以下を特長とします。

  • 電源およびデータの絶縁
  • 柔軟性が高く、設定可能な反転または非反転入力構成
  • ユニポーラまたはバイポーラ入力(ADC)および出力(DAC)

MAX11156

  • 分解能:18ビット、ミッシングコードなし
  • SN比:94.4dB
  • THD:-107dB (1kHz時)
  • バッファを備えた内部または外部電圧リファレンス入力
  • 内部リファレンスの温度係数:-6ppm/℃ (typ)
  • 単一電源:5V
  • 真のバイポーラ入力範囲:±5V

MAX5318

  • 分解能:18ビット、ミッシングコードなし
  • 高精度INL:±2 LSB (max)
  • セトリング時間:3µs
  • ユーザー設定可能なオフセットおよび利得較正
  • 温度に対するオフセットおよび利得ドリフト:±0.5ppm/℃ (typ)
  • フォース/センス出力
  • 50MHz SPI対応インタフェース:1.8V~5.5Vロジック

詳細

MAXREFDES74#ボードのブロック図を図1に示します。


図1. MAXREFDES74#のブロック図

アナログフロントエンドは、2つのユーザー選択可能なオペアンプのMAX9632と、それに続くMAX11156で構成されます。オペアンプは、ジャンパセレクタによって反転または非反転アンプとして設定可能です。両方のオペアンプがアンチエイリアシングローパスフィルタ(LPF)として機能し、デイジーチェーン接続によって2次LPFを形成することが可能です。

MAX5318 DACの出力も、正または負のシングルエンド出力として、または3つのMAX9632オペアンプを介して真の差動出力として設定することができます。DACの出力をシフトアップして、出力レベルを2 x VREFに倍増することも可能です。

ADCとDACの両方の電圧リファレンス(VREF)は選択可能なリファレンスソースから供給され、これにはMAX6126 (3ppm/℃、VREFの初期精度0.02%、8ピンSOパッケージ)と、MAX6070 (6ppm/℃、VREFの初期精度0.04%、6ピンSOT23パッケージ)が含まれます。MAX11156は、内部VREF (デフォルトの動作)またはいずれか1つの外部リファレンスを使用することができます。

主要なADC設定のシャント位置を表1および図2に、DAC出力のシャント位置を表2に、VREF接続を表3に示します。

表1. ADC入力の設定

CONFIG # ADC INPUT CONFIGURATION INPUT CONNECTORS SHUNT POSITIONS
1 Noninverting, single-ended, second-order LPF (default) CON3: AIN0+ or (TP2 and TP8): AIN0+ and AGND J28: 1-2
J29: 1-2 and 3-4
J32: 5-6 and 3-4
J10: 1-2 and 9-10
2 Noninverting, differential, second-order LPF CON3 (TP2): AIN0+
CON2 (TP1): AIN0-
J28: Open
J29: 1-2
J32: 5-6 and 3-4
J10: 1-2 and 9-10
3 Inverting, single-ended, second-order LPF CON2: AIN0
or (TP1 and TP8): AIN0 and AGND
J28: 3-4
J29: 3-4
J32: 1-2 and 7-8
J10: 1-2 and 9-10
4 Inverting, differential, second-order LPF CON2 (TP1): AIN0-
CON3 (TP2): AIN0+
J28: Open
J29: 3-4
J32: 1-2 and 7-8
J10: 1-2 and 9-10
5 Noninverting, single-ended, first-order LPF CON5: AIN1
or (TP7 and TP15): AIN1 and AGND
J29: 1-2
J32: 3-4 and 7-8
J10: 1-2 and 9-10
6 Differential, first-order LPF CON5 (TP7): AIN1+
CON4 (TP10): AIN1-
J29: Open
J32: 3-4 and 7-8
J10: 1-2 and 9-10
7 Inverting, single-ended, first-order LPF CON4: AIN1 or (TP10 and TP15): AIN1 and AGND J29: 3-4
J32: 1-2 and 7-8
J10: 1-2 and 9-10
8 DAC noninverting, single-ended Use the on-board MAX5318 as input source* J10: 3-4 and 9-10
J9: 1-2
J5: 1-2
J18: 1-2
9 DAC inverting, single-ended Use the on-board MAX5318 as input source* J10: 5-6 and 9-10
J9: 1-2
J5: 1-2
J18: 1-2
  DAC differential Use the on-board MAX5318 as input source* J10: 3-4
Jump wire J10: 5-10


*DAC出力の設定は、ADCの入力範囲に準拠する必要があります。

 

表2. DAC出力の設定

CONFIG # DAC OUTPUT SHUNT POSITIONS OUTPUT CONNECTORS
10 Single ended, 0 to 3 x VREF J9: 1-2
J5: 1-2
J18: 1-2
CON11: DAC_OUT+
or (TP46 and TP41): DAC_OUT+ and AGND
11 Single ended, 0 to -3 x VREF J9: 1-2
J5: 1-2
J18: 1-2
CON10: DAC_OUT-
or (TP18 and TP17): DAC_OUT- and AGND
12 Differential, - 3 x VREF to
3 x VREF
J9: 1-2
J5: 1-2
J18: 1-2
CON11 (TP46): DAC_OUT+
CON10 (TP18): DAC_OUT-
13 Single ended, -1.5 x VREF to 1.5 x VREF (default) J9: 3-4
J5: 1-2
J18: 1-2
CON11: DAC_OUT+
or (TP46 and TP41): DAC_OUT+ and AGND


注:代替の接続を括弧内に示しています。

 

表3. VREF接続

CONFIG # VREF SHUNT POSITIONS FOR ADC SHUNT POSITIONS FOR DAC
14 Internal J13: open (default)
15 External U11 (MAX6126) J13: 2-3 J7: 2-3 (default)
16 External U12 (MAX6070) J13: 1-2 J7: 1-2

 

図2. デフォルトのシャント位置
図2. デフォルトのシャント位置

電源

MAXREFDES74#ボードは、15V~20V、300mAのDC単一電源からJ1電源ジャックを介して給電されます。HブリッジドライバのMAX13256とトランスは、+20Vおよび-20Vの追加の負レールを生成します。この電力はさらに整流され、オペアンプ用の+15Vおよび-15V電源、およびVREF、ADC、およびDAC用の+5V VDDと3.3V VDDIOにレギュレートされます。詳細については、MAXREFDES74#の回路図を参照してください。各レールに対して特定の電圧をボードに接続することも可能です。それぞれに対応するシャント位置については、表4を参照してください。

表4. ボードへの電源供給

POWER INPUT CONNECTORS SHUNT POSITIONS
Single +15V to +20V input from a wall adapter (default) J1 J30: 1-2 Enable U1
J15: 3-4
J16: 3-4
J17: 3-4
J24: 5-6
An external ±20V TP35 (+20V)
TP30 (-20V)
TP36 (Common 0V)
J30: 2-3 Disable U1
J15: 1-2
J16: 1-2
J17: 3-4
J24: 5-6
An external ±15V TP9 (+15V)
TP23 (-15V)
TP22 (Common 0V)
J30: 2-3 Disable U1
J15: 1-2
J16: 1-2
J17: 1-2
J24: 3-4

ZedBoardによるMezzanineカードの動作

MAXREFDES74#ボードは少ない端子数のFMC CON1コネクタを介してZedBoardに接続されます。ZedBoardはイーサネットポートを介してPCに接続してください。これによって、GUIはmezzanineカードの機能を完全に制御してさまざまな動作を実行することができます。

クイックスタートガイド

必要機器

  • MAXREFDES74#、18ビット高精度データ取得ボード、+15V、1A AC-DC電源アダプタまたは+15V DC電源
  • ZedBoard (型番:AES-Z7EV-7Z020-G)と+12V AC-DC電源アダプタおよびSDカード
  • Windows® 7またはそれ以降のオペレーティングシステムを備えたPC
  • イーサネットケーブル
  • 高性能信号発生器(Audio Precision 2700シリーズなど)

手順

MAXREFDES74#ボードは、完全実装および試験済みです。以下のステップに従って、ボードの動作を確認してください。

  1. 最新バージョンのMAXREFDES74#ソフトウェアGUIおよびMAXREFDES74# Zedboardファームウェアをダウンロードしてください。ファームウェアとソフトウェアをテンポラリフォルダに保存して、zipファイルを解凍してください。ファームウェアのファイルをSDカードに保存してください。
  2. ZedBoardのJ18-3V3に、2ピンヘッダをはんだ付けしてください。MAXREFDES74#ボードに対応するように、J18-3V3ヘッダ上にシャントを装着して3.3V I/O動作を選択してください。
  3. PCとZedBoard間にイーサネットケーブルを接続して、ローカルエリア接続のInternet Protocol Version 4 (TCP/IPv4)プロパティをIPアドレス192.168.1.2、サブネットマスク255.255.255.0に設定してください。
  4. ブートファイルの入ったSDカードを、PCBの裏面に位置するZedBoardのカードスロット(J12)に挿入してください。
  5. ZedBoardのブートモードMIO2~6ジャンパが、ZedBoardのハードウェアユーザーガイドで説明されているSDカードモードに設定されていることを確認してください。
    MIO6 GND
    MIO5 3V3
    MIO4 3V3
    MIO3 GND
    MIO2 GND
  6. ZedBoardのパワースイッチ(SW8)をONの位置にしてください。緑のパワーグッドLED (LD13)が点灯し、MAXREFDES74ファームウェアの現在のリビジョンがOLED (DISP1)に表示されます。
  7. ZedBoardの電源をオフにしてください。
  8. FMCコネクタを介してMAXREFDES74#ボードをZedBoardに接続してください。
  9. +15V電源アダプタからMAXREFDES74#ボードに電力を供給してください。
  10. ZedBoardへの電源をオンにしてください。
  11. MAXREFDES74#のGUIを起動してください。GUIは自動的にZedBoardへのネットワーク接続を検出し、確認メッセージを表示します。ネットワーク接続が見つからない場合、GUIはデモモードになります。
  12. 接続確立後、GUIは下部のステータスバーにボードの状態を表示します。


    図3. MAXREFDES74#のGUI

  13. Clock Source (クロックソース)、Sampling Rate (サンプリングレート)、Number of Samples (サンプル数)、およびMAX11156 ADCの設定を確認して、Setボタンをクリックしてください。
  14. DMMタブを表示して、Display Units (表示単位)プルダウンメニューからmVを選択してCaptureボタンをクリックしてください。MAX11156 ADCの読み値が小さな数値で表示されます(単位:mV)。これは0V (AGND)入力の読み値です。J28とJ29のシャントによって全入力がグランドに接続されていることを確認してください。ADC入力の設定の表(表1)およびMAXREFDES74#の回路図を参照してください。
  15. Scope、Histogram、およびFFTタブを表示して、0V読取りの機能および性能を確認してください。サンプリングレートを設定し、対応するプルダウンメニューからサンプル数、表示単位、および平均を選択して、Captureボタンをクリックすることによって読取り操作を実行してください。対応する表示画面を図4図5図6、および図7に示します。

    図4. DMMタブ
    図4. DMMタブ

    図5. Scopeタブ
    図5. Scopeタブ

    図6. Histogramタブ
    図6. Histogramタブ

    図7. FFTタブ
    図7. FFTタブ

  16. J26のシャントを装着して、繰り返しVREF/2の読取りを実行してください。
  17. 外部ソース(たとえばAudio Precision 2700)から10kHzの正弦波をCON3 (AIN0+)に入力してください。コヒーレントサンプリングのため、CON9 (SYNC_CLK_OUT)をREF IN入力に接続することによって外部ソースをMAXREFDES74#のADCと同期させてください。ADC Configurationタブで、Sync-Out CLK (10MHz)チェックボックスをオンにしてZedBoardからの10MHzクロック出力をイネーブルし、Setボタンをクリックしてください。次にFFTタブを表示して、サンプリングレート、サンプル数を選択し、Input Signal (Hz)プルダウンメニューに所望の信号周波数を入力した後、Calculateボタンをクリックしてください。GUIはコヒーレントサンプリングの式に基づいてコヒーレント入力信号周波数を計算します。次に、Adjusted (Hz)ボックスに表示される調整済み信号周波数を外部ファンクションジェネレータに入力してください。その後、FFTタブのCaptureボタンをクリックしてください。

    図8. 10kHz正弦波のコヒーレントサンプリング
    図8. 10kHz正弦波のコヒーレントサンプリング

    図9. 1kHz正弦波のコヒーレントサンプリング
    図9. 1kHz正弦波のコヒーレントサンプリング

DAC出力のセットアップ

  1. DAC Configurationタブを表示してください。所望のDAC VOUTをDIN (V)ボックスに入力してSetボタンをクリックしてください。ソフトウェアはユーザーの所望の電圧を反映するようにDIN、OFFSET、およびGAINレジスタを更新します。外部の電圧計を使用して、AGNDを基準とするTP54、TP46、およびTP18の実際のDAC出力を確認してください。
  2. 注: TP54のDAC出力は0V~VREF (4.096V)の範囲ですが、TP46では-1.5 x VREF (-6.1V)~3 x VREF (+12.3V)、TP18では+6.1V~-12.3Vになる可能性があります。表2を参照してください。別の方法として、DACコードを16進形式でDINボックスに入力し、Writeボタンをクリックすることによって設定することもできます。

  3. Function Generationタブでは、Signal Typeプルダウンメニューから1つを選択することによって、ユーザーは事前定義された信号タイプ(正弦波、方形波、三角波、鋸歯、または任意の波形)を生成することができます。所望のNumber of Samples (サンプル数)、DAC Update Rate (DAC更新レート)、およびSignal Frequency (信号周波数)を入力した後、Calculateボタンをクリックしてください。ソフトウェアはDACの更新レートを調整し、調整済み信号周波数を計算します。ユーザーは所望の波形のAmplitude (振幅)およびOffset (オフセット)パラメータも調整する必要があります。
  4. Generateボタンをクリックすることによって、ソフトウェアは必要なポイントを計算し、ZedBoardのFPGAのRAM内にルックアップテーブル(LUT)を作成します。FPGAはLUTを参照して連続波形を生成します。オシロスコープを使用して出力波形を確認してください。Stopボタンをクリックすることによって出力をディセーブルすることができます。

DAC-ADCクローズドループ動作

DACとADCは互いに独立して動作するため、ユーザーはMAX5318 DACによって波形を生成し、ボード上のMAX11156 ADCを使用してそれを分析することができます。

  1. Function Generatorタブを表示して、所望の波形を生成してください。詳細については、「DAC出力のセットアップ」を参照してください。振幅およびオフセットがADCの入力要件に適合していることを確認してください。
  2. J10のシャントを3-4および9-10の位置に設定してください。DAC_OUT+信号がADCのAINP入力に接続されます。
  3. ADC Configurationタブを表示して、所望のADCの設定を設定してください。次に、Scopeタブを表示して、対応するプルダウンメニューからサンプリングレート、サンプル数、表示単位、および平均ファクタを選択した後、Captureボタンをクリックしてください。波形がキャプチャされ、スコープウィンドウに表示されます。ズームイン機能を使用して波形を確認してください。

図10. クローズドループ動作での正弦波のスコープ表示
図10. クローズドループ動作での正弦波のスコープ表示

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。

クイックスタートガイド

必要機器

  • MAXREFDES74#、18ビット高精度データ取得ボード、+15V、1A AC-DC電源アダプタまたは+15V DC電源
  • ZedBoard (型番:AES-Z7EV-7Z020-G)と+12V AC-DC電源アダプタおよびSDカード
  • Windows® 7またはそれ以降のオペレーティングシステムを備えたPC
  • イーサネットケーブル
  • 高性能信号発生器(Audio Precision 2700シリーズなど)
手順

全設計ファイル

全設計ファイルをダウンロード

ハードウェアファイル:
回路図
部品表(BOM)
PCBレイアウト
PCBガーバー

ソフトウェアファイル:
ソフトウェアGUI

ファームウェアファイル:
ZedBoardファームウェア

 
Status:
Package:
Temperature:

MAX11156
18ビット、500ksps、±5V SAR ADC、リファレンス内蔵、TDFNパッケージ

  • 高いDCおよびAC精度によって測定品質を向上
  • 高集積ADCによってコストとスペースを削減
  • 広い電源範囲と低電力によって電源設計を簡素化

MAX6070
低ノイズ、高精度シリーズ電圧リファレンス

  • 6ピンSOT23パッケージによってシステム基板スペースを削減
  • 全温度および時間にわたる安定性能によってシステム精度を向上
  • 150µAの低消費電流によって消費電力を削減

MAX5318
18ビット、高精度電圧出力DAC、デジタルゲイン、オフセット制御、およびSPIインタフェース内蔵

  • ATEおよび高精度計測器に最適
  • 高速セトリング時間:3µs (10kΩと100pFの並列負荷時)
  • ゼロまたはミッドスケールDAC出力(ピン選択可能)への安全な起動時リセット

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

MAX13256
36V Hブリッジトランスドライバ、絶縁型電源用

  • シンプルかつフレキシブルな設計
  • システム保護内蔵
  • ボードスペースを節約

MAX9632
36V、高精度、低ノイズ、高帯域アンプ

  • 高分解能ADCドライバアプリケーションに最適なDCおよびAC性能
  • 高電圧フロントエンド用の広い電源範囲
  • ESD保護によって信頼性を向上

MAX15006
40V、超低自己消費電流リニアレギュレータ、6ピンTDFN/8ピンSOパッケージ

  • 広い動作入力電圧範囲:4V~40V
  • 保証出力電流:50mA
  • 低自己消費電流

MAX8719
ノートブックコンピュータ用、高電圧、低電力リニアレギュレータ

  • 入力電圧範囲:4V~28V
  • 自己消費電流:18µA
  • シャットダウン消費電流:3µA未満

  • 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)

    MAX664
    Dual Mode™、5Vプログラマブル、超低電力電圧レギュレータ