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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。尽管当今的现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器可以集成模数转换器(ADC),但在许多情况下,分辨率不够高并且缺乏隔离。Campbell (MAXREFDES4)子系统参考设计是一款16位高精度工业模拟前端(AFE),可支持4–20mA电流环路或0.2V至4.096V电压输入信号,并将隔离电源和数据功能全部集成在一个小尺寸中。Campbell设计集成了精密低噪声缓冲器(MAX44250)、高精度ADC(MAX11100)、超高精度4.096V基准电压源(MAX6126)、600VRMS数据隔离(MAX14850)和隔离/稳压5V电源轨(MAX256/MAX1659)。该AFE解决方案可用于任何需要高精度模数转换的应用,但主要面向工业传感器、工业自动化、过程控制、可编程逻辑控制器(PLC)和医疗应用。
图1.Campbell子系统设计框图。
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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引脚排列如右图所示。
供电要求如表1所示,当前支持的平台及其端口见表2。
电源形式 | 跳线 | 输入电压(V) | 输入电流 (mA, typ) |
---|---|---|---|
板上隔离电源 | JU3: 1–2 JU4: 2–3 |
3.3 | 72.5 |
外部电源 | JU3: 2–3 JU4: 1–2 |
12 | 10.7 |
支持平台 | Port |
---|---|
Nexys™ 3平台 (Spartan®-6) | JB1 |
ZedBoard™ 平台 (Zynq®-7020) | JA1 |
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200 Ω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。
TMAX11100 (U2)为16位逐次逼近(SAR) ADC,具有AutoShutdown™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600V RMS。
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。
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2a. 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。
Campbell固件设计还针对ZedBoard套件进行开发和测试,支持集成在Xilinx Zynq片上系统(SoC)中的ARM® Cortex® -A9处理器。
为此参考设计创建了AXI MAX11100定制IP内核,旨在优化采样速率和SPI时序稳定性。
固件中提供了一个工作示例,说明如何连接到硬件、采集样本并将其保存到内存中。简单的工艺流程如图2b所示。固件使用Xilinx SDK工具以C语言编写,该工具基于Eclipse开源标准。定制Campbell特定设计功能利用AXI MAX11100定制IP内核创建。当选择采样速率为189.4ksps时,SPI时钟频率设置为4.54MHz。对于所有其他采样速率,SPI时钟频率设置为2.5MHz。
图2b.ZedBoard平台的Campbell固件流程图。
固件接受命令、写入状态,并可以通过虚拟COM端口将采样数据块下载到标准终端程序。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。
需要设备:
- 带有2个USB口的Windows计算机
- Campbell (MAXREFDES4#)板
- Campbell支持平台(Nexys 3或ZedBoard开发工具包)
- 4-20mA电流环传感器或其它信号源
下载Campbell快速评估指南,按照说明书提供的步骤进行评估:
Campbell (MAXREFDES4#) Nexys 3快速评估指南.
Campbell (MAXREFDES4#) ZedBoard快速评估指南.
使用设备:
- Audio Precision® 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。
文件和资源
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MAXREFDES4 设计文件2021/3/12ZIP42 M
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Solutions For Rapid Prototyping: Answering the Needs of Practicing Engineers2023/8/23PDF784 K
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