设计、搭建、测试
图示的电路板已装配完成且经过测试。

概览

描述

当今内置模/数转换器(ADC)的现场可编程门阵列(FPGA)和微控制器支持低分辨率和低电压模拟输入。然而，这些ADC不能满足要求较高分辨率和较高输入电压的工业控制和工业自动化应用的需求。Santa Fe (MAXREFDES5)子系统设计为16位、高精度工业模拟前端(AFE)，支持-10V至+10V、0至10V和4–20mA电流环路信号，具有隔离电源和数据通路，集成在小尺寸外形封装中。Santa Fe设计集成低噪声、高阻模拟缓冲器(MAX9632)；带有创新片上衰减的高精度ADC(MAX1301)；超高精度4.096V电压基准(MAX6126)；600VRMS数据隔离(MAX14850)；隔离/稳压+12V、-12V和5V 电源(MAX256/MAX1659)。该AFE方案可用于需要高精度模/数转换的任何应用，但主要目标应用为工业传感器、工业自动化、过程控制、可编程逻辑控制器(PLC)和医疗应用。

优势和特点

  • 高精度
  • ±10V，0至10V和4–20mA输入
  • 隔离电源和数据
  • 小尺寸印刷电路板(PCB)
  • 器件驱动器
  • C语言源代码
  • Pmod™兼容规格
重要通知及免责声明
请阅读关于ADI设计信息和资源的参考设计免责声明。

所用产品

详情

Figure 1. The Santa Fe subsystem design block diagram.

图1.Santa Fe子系统设计框图。

设备要求：

  • • 带两个USB端口的Windows® PC
  • • Santa Fe (MAXREFDES5)板
  • • Santa Fe支持的平台（即Nexys 3开发套件或ZedBoard套件）
  • • 工业传感器或信号源

下载并仔细阅读Santa Fe快速入门指南，按照说明执行每个步骤：

Figure 1. Non-page mode memory interface.

Pmod规范支持3.3V和5V模块以及各种引脚分配。该模块仅设计用于3.3V电源电压，并采用右图所示的SPI引脚分配。电源要求如表1所示。目前支持的平台和端口如表2所示。

表1.Santa Fe子系统参考设计的电源选项
电源类型 跳线分流器 输入电压(V) 输入电流（mA，典型值）
板载隔离电源 JU3: 1-2
JU4: 2-3
JU5: 1-2		 3.3 221
外部电源 JU3: 2-3
JU4: 1-2
JU5: 2-3		 3.3 6.3
+12 30.4
-12 7.3
 表2.支持的平台和端口
支持的平台 Port
Nexys™ 3 平台 (Spartan®-6) JB1
ZedBoard™ 平台 (Zynq®-7020) JA1
MicroZed™ 平台 (Zynq®-7010) J5

Santa Fe硬件设计专门针对使用-10V至+10V、0至10V和4–20mA信号的应用进行了优化。根据应用要求，可以省略电路的某些部分。下面完整阐述需要使用或可以省略哪些部分。请参阅“所有设计文件”部分下的原理图文件。

MAX1301 (U3)是一款16位逐次逼近寄存器(SAR) ADC，提供多范围输入，支持高达+12.288V至-12.288V的输入电压信号。该ADC还集成了模拟输入缓冲器，输入电阻为17kΩ。

第一个MAX9632放大器(U1)针对低噪声、-10V至+10V输入电压进行了优化。第二个MAX9632放大器(U2)针对低噪声、4–20mA输入电流进行了优化。对于具有较大源电阻（在4–20mA环路中可能是250Ω负载电阻）的输入信号，U1和U2能够提供高输入阻抗。较大的源电阻通常会借助不利因素来衰减信号。如果在Santa Fe设计未通电时需要提供输入保护，则在两个MAX9632放大器前面添加一个可选的500Ω串联电阻。当输入端施加10V电压且Santa Fe板未通电时，500Ω串联电阻可防止输入电流超过最大输入电流规格。

如果信号源的源电阻比17kΩ低得多，或者在4–20mA环路中，如果250Ω和17kΩ的并联组合在应用中能够提供合适的精度，则可以去除U1和U2。ADC通道AIN1和AIN3就是仅使用内部17kΩ模拟输入缓冲器的示例。

尽管MAX1301 ADC具有4.096V内部基准电压源，但为了获得更高精度，应使用外部MAX6126 (U4)基准电压源，其初始精度为0.02%，最大温度系数(tempco)为3ppm/°C。

MAX256 (U5)提供隔离式功能绝缘级电源解决方案，支持3.3V电压，并使用现成的TGM-H281NF Halo®变压器（初级与次级匝数比为1:2.6）以及外部板载倍压电路将其转换为±12V。后稳压利用MAX1659低压差(LDO)稳压器实现。±12V隔离电源解决方案是可选方案，仅当需要MAX9632放大器提供高输入阻抗或需要电源隔离时才会使用。如果不需要MAX9632放大器，则单个+6V隔离电源可为整个电路供电。数据隔离也是可选的，具体取决于应用，并使用MAX14850 (U9)数字数据隔离器来实现。可实现600VRMS电源和数据组合隔离。

Santa Fe固件设计最初针对Nexys 3开发套件发布，支持集成在Xilinx® Spartan-6 FPGA中的 MicroBlaze™软核微控制器。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。目前支持的平台和端口如表2所示。

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2a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Santa Fe特定设计功能利用标准Xilinx XSpi内核版本3.03a创建。SPI时钟频率设置为3.125MHz。

 

Figure 2a. The Santa Fe firmware flowchart for Nexys 3 platform

图2a.支持Nexys 3平台的Santa Fe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。

Santa Fe固件设计支持ZedBoard和MicroZed套件。支持Xilinx Zynq片上系统(SoC)中的硬核ARM® Cortex®-A9处理器。

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。定制的Santa Fe特定设计功能利用ARM的内部SPI外设而不是标准AXI Xilinx XSpi内核创建，从而将最大采样速率提高到90ksps。SPI时钟频率设置为3.57MHz。

Figure 2b. The Santa Fe firmware flowchart for ZedBoard platform

图2b.支持ZedBoard平台的Santa Fe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。

使用的设备

  • Audio Precision® SYS-2722信号源或等效器件
  • 带两个USB端口的Windows PC
  • Santa Fe (MAXREFDES5)板
  • Nexys 3开发套件
  • +12V电源（仅用于外部电源测试）
  • -12V电源（仅用于外部电源测试）

测试Santa Fe设计时必须特别小心，并使用合适的设备。测试任何高精度设计的关键是使用精度比被测设计更高的信号源和测量设备。为了重复呈现以下结果，必须使用低失真信号源。输入信号使用Audio Precision SYS-2722提供。模拟输入应由信号源驱动，而不是悬空。FFT使用Mitov Software的SignalLab中的FFT控件创建。图3至18中显示了板载隔离电源和外部电源每个通道的交流和直流性能，表3提供了相关快速参考。所有实验室测量均在室温下进行。

表3.图3至图18展示的交流性能(FFT)或直流性能（直方图）快速参考指南
通道 电源类型 输入类型 测试类型 图号
通道0 (AIN0) 板载隔离 ±10V，高电平 AC - FFT 图3
通道0 (AIN0) 板载隔离 ±10V，高电平 DC - 直方图 图4
通道0 (AIN0) 外部 ±10V，高电平 AC - FFT 图5
通道0 (AIN0) 外部 ±10V，高电平 DC - 直方图 图6
通道1 (AIN1) 板载隔离 ±10V，17kΩ AC - FFT 图7
通道1 (AIN1) 板载隔离 ±10V，17kΩ DC - 直方图 图8
通道1 (AIN1) 外部 ±10V，17kΩ AC - FFT 图9
通道1 (AIN1) 外部 ±10V，17kΩ DC - 直方图 图10
通道2 (AIN2) 板载隔离 4–20mA，250Ω AC - FFT 图11
通道2 (AIN2) 板载隔离 4–20mA，250Ω DC - 直方图 图12
通道2 (AIN2) 外部 4–20mA，250Ω AC - FFT 图13
通道2 (AIN2) 外部 4–20mA，250Ω DC - 直方图 图14
通道3 (AIN3) 板载隔离 0至10V，17kΩ AC- FFT 图15
通道3 (AIN3) 板载隔离 0至10V，17kΩ DC - 直方图 图16
通道3 (AIN3) 外部 0至10V，17kΩ AC - FFT 图17
通道3 (AIN3) 外部 0至10V，17kΩ DC - 直方图 图18

Figure 3. AC FFT for channel 0 (AIN0) using on-board isolated power, a ±10V 1kHz sine wave input signal, high-impedance input, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window

图3.使用板载隔离电源、±10V 1kHz正弦波输入信号、高阻抗输入、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道0 (AIN0)进行交流FFT

Figure 4. DC histogram for channel 0 (AIN0) using on-board isolated power; a 0V input signal; high-impedance input; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 7 LSBs with 97.57% of the codes falling within the three center LSBs; and a standard deviation of 0.693

图4.使用板载隔离电源时通道0 (AIN0)的直流直方图；0V输入信号；高阻抗输入；20ksps采样速率；65,536个样本；7 LSB代码分布，其中97.57%的代码分布在三个中心LSB内；标准差为0.693

Figure 5. AC FFT for channel 0 (AIN0) using external power, a ±10V 1kHz sine wave input signal, high-impedance input, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window

图5.使用外部电源、±10V 1kHz正弦波输入信号、高阻抗输入、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道0 (AIN0)进行交流FFT

Figure 6. DC histogram for channel 0 (AIN0) using external power; a 0V input signal; high-impedance input; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 7 LSBs with 97.74% of the codes falling within the three center LSBs; and a standard deviation of 0.692

图6.使用外部电源时通道0 (AIN0)的直流直方图；0V输入信号；高阻抗输入；20ksps采样速率；65,536个样本；7 LSB代码分布，其中97.74%的代码分布在三个中心LSB内；标准差为0.692

Figure 7. AC FFT for channel 1 (AIN1) using on-board isolated power, a ±10V 1kHz sine wave input signal, 17kΩ input impedance, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window.

图7.使用板载隔离电源、±10V 1kHz正弦波输入信号、17kΩ 输入阻抗、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道1 (AIN1)进行交流FFT。

Figure 8. DC histogram for channel 1 (AIN1) using on-board isolated power; a 0V input signal; 17kΩ input impedance; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 7 LSBs with 96.95% of the codes falling within the three center LSBs; and a standard deviation of 0.695

图8.使用板载隔离电源时通道1 (AIN1)的直流直方图；0V输入信号；17kΩ输入阻抗；20ksps采样速率；65,536个样本；7 LSB代码分布，其中96.95%的代码分布在三个中心LSB内；标准差为0.695

Figure 9. AC FFT for channel 1 (AIN1) using external power, a ±10V 1kHz sine wave input signal, 17kΩ input impedance, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window

图9.使用外部电源、±10V 1kHz正弦波输入信号、17kΩ 输入阻抗、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道1 (AIN1)进行交流FFT

Figure 10. DC histogram for channel 1 (AIN1) using external power; a 0V input signal; 17kΩ input impedance; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 7 LSBs with 97.70% of the codes falling within the three center LSBs; and a standard deviation of 0.691

图10.使用外部电源时通道1 (AIN1)的直流直方图；0V输入信号；17kΩ输入阻抗；20ksps采样速率；65,536个样本；7 LSB代码分布，其中97.70%的代码分布在三个中心LSB内；标准差为0.691

Figure 11. AC FFT for channel 2 (AIN2) using on-board isolated power, a 1V to 5V 1kHz sine wave input signal, high-impedance input, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window.

图11.使用板载隔离电源、1V至5V 1kHz正弦波输入信号、高阻抗输入、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道2 (AIN2)进行交流FFT。

Figure 12. DC histogram for channel 2 (AIN2) using on-board isolated power; a 3V input signal; high-impedance input; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 14 LSBs with 95.26% of the codes falling within the six center LSBs; and a standard deviation of 1.515

图12.使用板载隔离电源时通道2 (AIN2)的直流直方图；3V输入信号；高阻抗输入；20ksps采样速率；65,536个样本；14 LSB代码分布，其中95.26%的代码分布在6个中心LSB内；标准差为1.515

Figure 13. AC FFT for channel 2 (AIN2) using external power, a 1V to 5V 1kHz sine wave input signal, high-impedance input, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window

图13.使用外部电源、1V至5V 1kHz正弦波输入信号、高阻抗输入、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道2 (AIN2)进行交流FFT

Figure 14. DC histogram for channel 2 (AIN2) using external power; a 3V input signal; highimpedance input; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 14 LSBs with 95.52% of the codes falling within the six center LSBs; and a standard deviation of 1.506

图14.使用外部电源时通道2 (AIN2)的直流直方图；3V输入信号；高阻抗输入；20ksps采样速率；65,536个样本；14 LSB代码分布，其中95.52%的代码分布在6个中心LSB内；标准差为1.506

Figure 15. AC FFT for channel 3 (AIN3) using on-board isolated power, a 0V to10V 1kHz sine wave input signal, 17kΩ input impedance, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window.

图15.使用板载隔离电源、0V至10V 1kHz正弦波输入信号、17kΩ输入阻抗、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道3 (AIN3)进行交流FFT

Figure 16. DC histogram for channel 3 (AIN3) using on-board isolated power; a 5V input signal; 17kΩ input impedance; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 8 LSBs with 96.07% of the codes falling within the four center LSBs; and a standard deviation of 1.006.

图16.使用板载隔离电源时通道3 (AIN3)的直流直方图；5V输入信号；17kΩ输入阻抗；20ksps采样速率；65,536个样本；8 LSB代码分布，其中96.07%的代码分布在四个中心LSB内；标准差为1.006

Figure 17. AC FFT for channel 3 (AIN3) using external power, a 0 to10V 1kHz sine wave input signal, 17kΩ input impedance, a 20ksps sample rate, and a Blackman-Harris window

图17.使用外部电源、0至10V 1kHz正弦波输入信号、17kΩ输入阻抗、20ksps采样速率和Blackman-Harris窗针对通道3 (AIN3)进行交流FFT

Figure 18. DC histogram for channel 3 (AIN3) using external power; a 5V input signal; 17kΩ input impedance; a 20ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 10 LSBs with 96.77% of the codes falling within the four largest LSBs; and a standard deviation of 0.961

图18.使用外部电源时通道3 (AIN3)的直流直方图；5V输入信号；17kΩ输入阻抗；20ksps采样速率；65,536个样本；10 LSB代码分布，其中96.77%的代码分布在四个最大的LSB内；标准差为0.961

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