軟件可配置的模擬I/O助力更緊湊更方便的校準器設計

工業模擬I/O（input/output， 輸入輸出）模塊用于和工廠內的傳感器、執行器之間實現精準、低電平的電壓信號與電流信號的收發。同所有電子器件一樣，長時間的重復使用和不斷變化的環境條件會導致其性能下降，因此需要對其進行定期校準以確保其能夠按照既定標準持續運行。

事實上，對于許多行業來說（例如制藥），對設備進行定期校準是一項制度性要求。訓練有素的技術人員需要訪問裝有I/O 模塊的接線柜，以執行校準程序并記錄結果。校準過程中需要使用的多種儀器（信號源和儀表）往往很笨重，難以運輸和同步操作。對此，我們將在本文中回顧這些校準設備的典型用例及其特性規格，同時介紹我們的新解決方案的特性。該參考設計基于軟件可配置模擬（SWIO） IC（集成電路），在提供現有功能和性能的基礎上可成為新一代超輕便攜校準器產品的標桿。

1 校準設備

要對I/O 模塊中所有類型的通道進行校準，需要使用電壓源和電壓表（量程通常為±10 V）、電流源和電流表（量程通常為±20 mA）以及信號源。該信號源用于模擬測量I/O通道溫度的各類熱電偶和RTD（PT100/PT1000）的輸出電壓。由于這些儀器的功能各不相同，技術人員需要將多件設備運輸到接線柜以進行校準。雖然市面上也有具備所有這些功能的精密儀器，但它們往往價格高、尺寸大、重量重，嚴重限制了這些設備的便攜性。

圖2 顯示了一臺具備所有功能的典型校準儀器。其尺寸為220 mm×173 mm×320 mm，重達5.7 kg，精度為0.02% 滿量程范圍（FSR）。

2 更緊湊的校準器

如圖3 所示，參考設計MAXREFDES183# 是一款可用軟件配置的電池供電的精密校準器，與常見的工業模擬輸入輸出以及電壓電流范圍兼容。該參考設計還提供以下功能：

1. 精密模擬電壓輸出，±10 V（+25% 超量程）;

2. 精密模擬電流輸出，±20 mA（+25% 超量程）;

3. 精密模擬電壓輸入，±10 V（+25% 超量程）;

4. 精密模擬電流輸入，±20 mA（+25% 超量程）;

5. 精密溫度測量（外置PT100/PT1000/K型熱電偶）;

6. 精密溫度模擬器。

與笨重的臺式校準器相比，這款參考設計校準器的尺寸僅為108 mm×83 mm×36 mm，重量僅為283 克。MAXREFDES183# 的功能框圖如圖4 所示。

3 特性

參考設計MAXREFDES183# 基于可用軟件配置的工業級模擬I/O MAX22000，可用于測量電壓和電流，并帶有用于測量溫度的輔助輸入引腳（用于連接至TC和RTD）。該IC 內置快速建立的18 位DAC（數字模擬轉換器）和24 位Σ-Δ 型ADC（模擬數字轉換器），使用溫漂為5 ppm /°C 的高度穩定內部基準電壓源，在25°C時誤差小于0.01%。IC 的線性范圍為標稱范圍的105%，而滿量程范圍為標稱范圍的125%（例如，對于±10 V 的標稱范圍，線性范圍和滿量程范圍分別為±10.5 V 和±12.5 V）。IC 內置低噪聲PGA（可編程增益放大器），具有高低兩種電壓輸入范圍，以支持ADC 對RTD 和IC 的測量。IC 通過高速SPI（串行外設接口）總線進行配置和通信，采用2.7 V 至3.6 V 的模擬和數字電源供電，以及高達±24 V 的高壓電源供電。IC 為64 引腳LGA（柵格陣列）封裝，可在?40°C至+125°C的工業溫度范圍內工作。該參考設計還使用MAX32625，這是一款超低功耗Arm? Cortex?-M4 微控制器，具有512 kB 的閃存和160 kB 的SRAM，通過SPI 接口連接到MAX22000。MAX32625 的UART 接口連接到板載USB 橋接器（FT234XD）和收發器對，用于觸屏顯示。用戶可通過Nextion NX4024K032 3.2''400×240 像素彩色觸屏顯示器進行控制和接收反饋。

4 熱穩定性

正如人們對高性能測量儀器的期望，MAXREFDES183#整合了多種設計技術以最大限度地提高熱性能，并改善校準器的整體準確度和整體穩定性。參考設計的溫度監控功能由兩個低功耗I2C（集成電路互聯）溫度傳感器MAX31875實現，其中一個傳感器靠近MAX22000放置，而另一個傳感器靠近源端放置，這使得我們可以對端子之間的電壓梯度進行溫度補償。該傳感器在0 C ° 至70°C之間具有±1°C的準確度。50 Ω 電阻用于設置I/O電流，具有高準確度（0.1% 容差）和高溫度穩定性（0.2 ppm / C ° ）。此外，四個由FET（場效應管）驅動的加熱電阻靠近MAX22000 放置，以便在測量之前設置和穩定環境溫度。為了進一步提高熱穩定性，參考設計使用一個小金屬外殼（面積大約為6.45 平方厘米）來覆蓋MAX22000 及與其鄰近的溫度傳感器IC 和加熱電阻。

5 電源管理

校準器由兩個3.6 V 3 500 mAh 的鋰電池供電。電量計MAX17320 用于監控和管理電池狀態，包括電壓、電流和溫度，并使用外部高邊FET 來防止過壓/ 欠壓、過流、短路、過冷/ 過熱、過充電和內部自放電。IC 內置的充電規程確保電池在安全條件下運行，從而延長電池在兩次充電之間的使用時間。IC 會對電池老化情況、溫度和放電速率進行自動補償，在各種工作條件下能準確提供電池的充電狀態（以毫安時mAh 或百分比% 顯示）。IC 外接熱敏電阻用于測量電池溫度。反激式轉換器MAX17498將標稱5V的USB電壓提升至標稱7.2 V的電池組電壓，從而為眾多DC-DC（直流- 直流）轉換器提供電壓輸入，生成為其他器件供電的電源軌。MAXREFDES183# 功耗為110 mAh（典型值），在電池充電周期之間正常使用時間長達31 小時。

6 高準確度

圖5 為?20 °C和+70 °C之間的I/O 電壓和電流的測量結果， 表明參考設計在25 °C（室溫）時的誤差在0.01% FSR 以內。

7 穩定性

工作溫度范圍內的高準確度固然重要，但校準設備通常在溫度相對穩定的環境中使用（和存儲）。因此，它們在固定溫度下、在較長時間間隔內表現出的高度可重復性也很重要。圖6 顯示MAXREFDES183# 具有±4 ppm 的精度（漂移）。其中，參考設計被配置為電壓模式下的5 V 模擬輸出，記錄設備為National Instruments的7.5位數字萬用表PXIe 1073，測試環境溫度為25 °C，記錄時間為7 天（168 小時），記錄間隔為15 分鐘。

8 校準器的校準

即使是精密校準器也需要定期校準。MAXREFDES183#包括一個預燒錄的校準程序（參見圖7），它向用戶清楚地說明了應如何連接外部儀表和信號源。同時，該程序可向用戶提供反饋，并解釋結果是否在可接受的范圍內。MAXREFDES183# 的3D 打印文件可供用戶下載以制作校準器的外殼。3D 打印的外殼如圖8 所示。

9 結論

參考設計MAXREFDES183# 精密校準器為一種輕巧、超便攜、電池供電的校準器，其功能、性能和準確度可媲美更大、更重、更昂貴的解決方案。其潛在應用包括：實驗室設備的校準、工業控制設備的調整、智能傳感器和執行器的現場校準。