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图示的电路板已装配完成且经过测试。

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优势和特点

特征

  • 可编程高精度电流/电压输出
  • 电流输出驱动高达1kΩ
  • 电压输出驱动低至1kΩ的负载
  • 齐全的错误报告
  • 隔离电源和数据
  • 器件驱动器
  • C语言源代码示例
  • 兼容Pmod™规格

  • 竞争优势

    • 灵活性
    • 系统安全
    • 方案尺寸小

    详情

    在PLC和DCS系统中,由模拟输出电流和电压提供关键的控制和驱动功能。图1所示的Alameda (MAXREFDES24#)参考设计具有四个灵活且可编程的模拟输出,可满足工业控制要求。

    MAX5134是系统的核心元件。这款四通道、16位、高精度数模转换器(DAC)通过输出电压驱动四个MAX15500信号调节器输入。然后这些信号调节器产生用户可编程的准确电流或电压输出。MAX15500用于提供齐全的错误报告。MAX6126用于为DAC和输出调节器提供超高精度基准电压。MAX14850使数据通信与现场端和系统控制器实现电气隔离。

    Alameda还集成了隔离式宽直流输入范围反激式转换器电源。峰值电流模式反激控制器MAX17498B可高效驱动隔离式变压器,并产生±24V和+8V输出。然后,MAX1659低压差(LDO)线性稳压器将+8V输出调节为+5V低噪声输出。整个系统仅需24V电源输入。

    该子系统具有所有典型的双极电流和电压输出范围以及适当的子集,典型总非调整误差(TUE)小于±0.1%。该电路还提供对于工业应用至关重要的开路检测、掉电检测、过温保护、短路和过流保护功能。Alameda提供灵活的电源选项,非常适合稳健型工业控制系统应用。

    Figure 1. The Alameda subsystem design block diagram.

    图1.Alameda子系统设计框图

    特性

  • 可编程高精度电流/电压输出
  • 电流输出驱动高达1kΩ
  • 电压输出驱动负载低至1kΩ
  • 齐全的错误报告
  • 隔离电源和数据
  • 设备驱动
  • C源代码示例
  • 兼容Pmod的外形尺寸

  • 竞争优势

    • 灵活性
    • 系统安全
    • 小尺寸解决方案

    应用

    • PLC(可编程控制器)
    • DCS
    • 分布式I/O
    • 工业控制与自动化

    MAXREFDES24的设备要求:

    • 带两个USB端口的Windows® PC
    • Alameda (MAXREFDES24)板
    • Alameda支持的平台(即LX9开发套件或ZedBoard套件)
    • 1个24V、150mA最小直流电源
    • 1个750Ω、0.25W电阻

    下载并仔细阅读Alameda快速入门指南,按照说明执行每个步骤:


    MAXREFDES24EVSYS套件说明

    MAXREFDES24EVSYS设计加速器套件有助于用户快速演示和评估设计功能,且无需台式电源、数字万用表或开发套件。该参考设计板通过随附的USB转SPI适配器(USB2PMB1)连接到PC,借助适配器与参考设计板进行数据通信。另外还随附通用电源适配器,可提供24V直流电源,以及USB供电的信号采集板(MAXADCLite2),用于测量高达10V(或20mA,利用可选端接电阻)的单极性模拟控制信号。

    基于Windows®的图形用户界面(GUI)与板进行通信,以生成和捕获各种模拟信号测试模式。还提供直观的报警界面,用于演示MAX15500输出调节器的数字诊断功能。

     

    实验室测量

    使用的设备:

    • Alameda (MAXREFDES24)板
    • FPGA开发套件
    • 1个750Ω、0.25W电阻负载
    • Agilent 3458A数字万用表
    • Agilent E3631A直流电源(任何24V、150mA最小直流电源均可)
    • National Instruments GPIB卡和电缆
    • Thermonics T-2800精密温度强制系统
    • 用于控制FPGA开发套件和测量设备的Perl脚本
    • Windows PC

    对于PLC和其他过程控制系统,INL、DNL和TUE性能非常重要。MAX15500高度灵活且可配置,可满足各种应用需求。性能数据在+25°C下测得。在下图中,前320个DAC代码的DNL、INL和TUE显示为0,这是因为代码0至320位于MAX5134的死区(0至0.02V)。

    345分别显示了-10V至+10V电压输出模式(20%超量程)下的DNL、INL和TUE测量结果。

    Figure 3. DNL for -10V to +10V output range, with 20% overrange.

    图3.-10V至+10V输出范围的DNL,20%超量程。

    Figure 4. INL for -10V to +10V output range, with 20% overrange

    图4.-10V至+10V输出范围的INL,20%超量程

    Figure 5. Output error for -10V to +10V output range, with 20% overrange

    图5.-10V至+10V输出范围的输出误差,20%超量程

    678分别显示了0至10V电压输出模式(20%超量程)下的DNL、INL和TUE测量结果。

    Figure 6. DNL for 0 to 10V output range, with 20% overrange

    图6.0至10V输出范围的DNL,20%超量程

    Figure 7. INL for 0 to 10V output range, with 20% overrange

    图7.0至10V输出范围的INL,20%超量程

    Figure 8. Output error for 0 to 10V output range, with 20% overrange

    图8.0至10V输出范围的输出误差,20%超量程

    91011分别显示了-20mA至+20mA电流输出模式(20%超量程)下的DNL、INL和TUE测量结果。

    Figure 9. DNL for -20mA to +20mA output range, with 20% overrange.

    图9.-20mA至+20mA输出范围的DNL,20%超量程

    Figure 10. INL for -20mA to +20mA output range, with 20% overrange

    图10.-20mA至+20mA输出范围的INL,20%超量程

    Figure 11. Output error for -20mA to +20mA output range, with 20% overrange

    图11.-20mA至+20mA输出范围的输出误差,20%超量程

    图12、图13和图14分别显示了0至20mA电流输出模式(20%超量程)下的DNL、INL和TUE测量结果。

    Figure 12. DNL for 0 to 20mA output range, with 20% overrange.

    图12.0至20mA输出范围的DNL,20%超量程

    Figure 13. INL for 0 to 20mA output range, with 20% overrange

    图13.0至20mA输出范围的INL,20%超量程

    Figure 14. Output error for 0 to 20mA output range, with 20% overrange

    图14.0至20mA输出范围的输出误差,20%超量程。

    ARM是ARM Limited的注册商标和注册服务标志。

    Audio Precision是Audio Precision, Inc.的注册商标。

    Cortex是ARM Limited的注册商标。

    Eclipse是Eclipse Foundation, Inc.的商标。

    Windows是Microsoft Corporation的注册商标和注册服务标志。

    Xilinx是Xilinx, Inc.的注册商标和注册服务标志。

    ZedBoard是ZedBoard.org的商标。

    Zynq是Xilinx, Inc.的注册商标。

    Alameda连接到Pmod兼容的现场可编程门阵列(FPGA)/微控制器开发板。Alameda通过Pmod连接器提供3.3V电源电压,并采用右图所示的SPI引脚分配。

    电源要求如1所示。请注意,整个系统运行需要使用+24V外部电源。目前支持的平台和端口如2所示。

    Img A

    表1.Alameda子系统参考设计的电源要求
    电源名称 输入电压(V) 输入电流(mA,典型值)
    3.3V Pmod电源 3.3 6
    +24V 18至32 6

    表2.支持的平台和端口
    支持的平台 通信端口 物理支持端口
    LX9 (Spartan®-6) J4 J5(无电气连接)
    ZedBoard™ 平台 (Zynq®-7020)* JB1 JA1(无电气连接)

    *使用ZedBoard Rev C进行测试。

    MAX15500 (U1–U4)是一款单通道、低成本、精密模拟电流/电压输出调节器,专为满足PLC及其他工业控制和自动化应用要求而开发。MAX15500在±15V至±32.5V电源范围内工作。

    MAX15500可提供单极性和双极性电流和电压输出。在电流模式下,该器件产生-1.2mA至+24mA或-24mA至+24mA电流。在电压模式下,该器件产生-0.3V至+6V、-0.6V至+12V或±12V电压。为了在单极性模式下实现超量程和欠量程能力,MAX15500的传递函数偏移,使得AIN处电压为满量程的5%时,IOUT为0mA,VOUT为0V。一旦VAIN达到满量程,VOUT或IOUT将变为满量程+5%或+20%(取决于FSMODE引脚的状态),IOUT将变为满量程+5%或+20%(取决于RSENSE电阻的值)。表3总结了常见的输出模式和相应的超量程控制跳线。

    表3.超量程控制跳线
    输出模式 超量程控制:FSMODE(JU1、JU3、JU5、JU7) 超量程控制:RSENSE(JU2、JU4、JU6、JU8)
    电流+5% 无关 跳线2:3
    电流+20% 无关 跳线1:2
    电压+5% 跳线1:2 无关
    电压+20% 跳线2:3 无关

    当OUT接地或电压高达±24V时,MAX15500可防止出现过流和短路情况。然而,许多系统还需要提供额外的端口保护。请参阅应用笔记6008,“模拟输出达到多少才足够安全”,了解有关保护电路和组件的更多信息。该器件还监控过温和电源电压不足的情况。电源欠压阈值可在±10V和±24V之间以2V增量进行编程。MAX15500通过SPI接口和额外的开漏中断输出(ERROR)提供短路、开路、掉电和过温情况等错误报告。MAX15500还包括一个0至3V模拟输出(MON),用于监测OUT端的负载情况。

    MAX5134 (U5)是一款四通道16位、缓冲电压输出、高线性度DAC。该器件提供4通道、超低死区(最大0.02V)轨到轨输出。对于大多数应用,不需要负偏置电源。

    MAX6126 (U6)采用超高精度4.096V基准电压源驱动模拟输出调节器和DAC基准输入,初始精度为0.02%,最大温度系数(tempco)为3ppm/°C。

    DAC的输出直接驱动调节器的输入,无需外部元件,从而实现轻松接口。

    MAX17498B (U8)提供隔离功能性绝缘级电源解决方案,支持+18V至+32V单直流电压,并使用反激式架构中的隔离变压器将其转换为±24V和+8V。针对5V输出使用MAX1659 LDO (U9)实现后调节。

    子系统和控制器之间的数据隔离通过MAX14850 (U7)数字数据隔离器实现。可实现600VRMS电源和数据组合隔离。

    LX9和ZedBoard平台固件详细说明

    表2列出了目前支持的平台和端口。可以在“所有设计文件”部分的“固件文件”下定期添加对其他平台的支持。

    Alameda固件针对LX9开发套件发布,目的是在Xilinx® Spartan-6 FPGA中集成Microblaze™ 软核微控制器。Alameda固件还支持ZedBoard套件,针对Xilinx Zynq片上系统(SoC)内的ARM® Cortex®-A9处理器。

    固件中提供了一个工作示例,说明如何启动系统并等待用户输入。用户可以选择输出模式并输入DAC输入代码。简单的工艺流程如2所示。固件使用Xilinx软件开发套件(SDK)工具以C语言编写,该工具基于Eclipse开源标准。定制Alameda特定设计功能利用标准Xilinx XSpi内核版本3.03a创建。SPI时钟频率在LX9平台上设置为2MHz,在ZedBoard平台上设置为3.125MHz。

     

    Figure 2. The Alameda firmware flowchart

    图2.Alameda固件流程图

    将提供完整源代码,助力客户加速开发。代码文档可在相应的固件平台文件中找到。

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