16位、高精度4-20mA输入隔离模拟前端(AFE)

摘要：本文介绍了Campbell子系统参考设计(MAXREFDES4 #)在工业控制和工业自动化中的应用，能够满足这类产品对高分辨率、高隔离度的需求。文中提供了FFT和直方图实验室测试结果，并给出了硬件和固件设计文件。

简介
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。

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引脚排列如下图所示。 供电要求如表1所示，当前支持的平台及其端口见表2。

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200Ω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。

MAX11100 (U2)为16位逐次逼近(SAR) ADC，具有AutoShutdown™和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600VRMS。

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
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。

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。

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(例如Nexys 3开发工具包)
4-20mA电流环传感器或其它信号源
下载Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速评估指南，按照说明书提供的步骤进行评估。
实验测量
使用设备：
高精度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。