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描述

高级制造、定制生产和成本压力持续推动工厂向更高的生产速度和更高的灵活性方向发展。为满足“不妥协”工厂环境的要求,MAXREFDES71子系统参考设计提供两路高速、高精度、400ksps、16位模拟输入通道和输出通道。所有输入和输出通道支持±10V和±20mA信号,外加20%裕量,为采用电压或电流信号的低、高速系统提供灵活性。

MAXREFDES71#设计使用四片双通道快速建立、高压运算放大器(MAX9633);两片16位500ksps ADC (MAX11166);两片低噪声、快速建立、高精度、16位DAC (MAX5316);两片超高精度4.096V电压基准(MAX6126);七片高速数字隔离器(MAX14850);用于隔离电源的H桥变压器驱动器(MAX13256);以及+18V、-18V、+5V和-1.25V电源轨的稳压器(MAX8719、MAX8881)。通过使用高精度和高速度的元器件,子系统在过程控制应用(例如传感器输入)和控制应用(例如伺服驱动、分解器和编码器)领域都表现良好。

优势和特点

应用

  • 工业控制自动化
  • 伺服驱动

竞争优势

  • 高速
  • 高精度
  • 低噪声

特征

  • 两路独立的模拟输入
  • 两路独立的模拟输出
  • 电源与数字信号隔离
  • 高速400ksps模拟输入采样率
  • 高精度16位分辨率
  • 电压输出在17µs内稳定到2 LSB之内
  • 电流输出在77µs内稳定到2 LSB之内
  • 器件驱动器
  • C语言源代码示例
  • ZedBoard™平台配置文件
  • 兼容FMC

详情

先进的制造技术、定制生产需求和成本压力持续推动工厂实现高速生产,并提高灵活性。为了满足“不妥协”工厂环境的要求,MAXREFDES71子系统参考设计提供了两个高速、高精度、400ksps、16位模拟输入通道和输出通道。所有输入和输出通道均支持±10V和±20mA信号以及20%裕量,为使用电压或电流信号的低速和高速系统提供了灵活性。

MAXREFDES71设计采用四个双路快速建立高压运算放大器(MAX9633);两个16位500ksps ADC (MAX11166);两个低噪声、快速建立、精密16位DAC (MAX5316);两个超高精度4.096V基准电压源(MAX6126);七个高速数字隔离器(MAX14850);用于隔离电源的H桥变压器驱动器(MAX13256);以及+18V、-18V、+5V和-1.25V稳压电源轨(MAX8719MAX8881)。该子系统采用高精度、高速组件,在传感器输入等过程控制应用和伺服驱动器、旋变器和编码器等控制应用中均具有出色的性能。

Figure 1. The MAXREFDES71 subsystem design block diagram

图1.MAXREFDES71子系统设计框图。

MAXREFDES71子系统针对需要模拟输入和模拟输出以及隔离电源和数据的应用进行了优化。图1为MAXREFDES71参考设计框图。

MAXREFDES71采用MAX6126(U12和U22)外部基准电压源,旨在尽可能为ADC和DAC提供更高的精度。MAX6126的初始精度为0.02%,最大温度系数(tempco)为3ppm/°C。

MAX9633 (U1)是一款双通道高压、低噪声运算放大器。该运算放大器对输入信号进行衰减和缓冲,以匹配ADC (MAX11166)的输入范围。测量电压信号时,将信号源的正极端子和负极端子分别连接到Vx+/Ix+和Vx-/Ix-连接器。测量电流信号时,将信号源的正极端子连接到Vx+/Ix+连接器,将负极端子连接到Vx-/Ix-和Ix-连接器。输入缓冲器采用差分放大器配置。通过下列公式,可以将ADC代码转换为输入电压:

V = 3.6621 × 10-4 × (CODEADC - 32768)

测量电流信号时,如果Ix-端子连接到电流环路的地,则通过下列公式可以将ADC代码转换为电流:

I = 7.4466 × 10-7 × (CODEADC - 32768)

MAX5316(U17和U18)是一款低噪声、快速建立、16位DAC。DAC输出范围为0V至4.096V。双通道运算放大器MAX9633 (U19)对DAC输出进行缓冲,并将输出范围重新调整至-10V至+10V (±2V),以满足工业标准要求。第二个双通道运算放大器MAX9633 (U20)对第一个放大器MAX9633 (U19)的输出进行缓冲。第三个双通道运算放大器MAX9633 (U21)使用Howland电流源配置,将第二个放大器MAX9633 (U20)的电压输出转换为-20mA至+20mA (±4mA)电流输出。因此,MAXREFDES71可以同时产生两个通道的电压和电流输出。将DAC代码转换为输出电压和电流的公式如下:

V = 3.6758 × 10-4 × CODEDAC - 12.0055

I = 7.3517 × 10-7 × CODEDAC - 2.4011 × 10-2

在标准配置中,MAXREFDES71使用MAX13256 (U23)从24V电源生成+23V、-23V和+7V隔离电源轨。MAX8719 (U4)、MAX8881(U5、U6)和LM337(U7、U8)提供+18V、+5V、-18V和-1.25V后稳压电源轨。使用MAX14850(U9–U11、U13–U16)数字数据隔离器实现数据隔离。可实现600VRMS电源和数据组合隔离。要使用外部电源,断开24V电源,并将所有跳线上的分流器移至2-3位置。将外部电源的接地端子连接至GND连接器。将+18V、+5V、-1.25V和-18V电源连接到板上相应的连接器。

MAXREFDES71连接到兼容FMC的现场可编程门阵列(FPGA)/微控制器开发板。MAXREFDES71需要24V电源,FMC连接器需要3.3V电源。FMC引脚分配如图2所示。

Figure 2. FMC connector pin connections

图2.FMC连接器引脚连接

表1列出了电源要求。表2列出了目前支持的平台和端口。

表1.MAXREFDES71的电源要求
电源类型 跳线分流器 输入电压(V) 输入电流(mA,典型值)
MAX13256供电 JU1-JU5:1-2 24 125
外部电源 JU1-JU5:2-3 5 88.8
外部电源 JU1-JU5:2-3 18 26.8
外部电源 JU1-JU5:2-3 -18 37.4
外部电源 JU1-JU5:2-3 -1.25 1.8

表2.支持的平台和端口
支持的平台 端口
ZedBoard平台(Zynq®-7020) J1

设备要求:

  • 带两个USB端口的Windows PC
  • MAXREFDES71 (MAXREFDES71)板
  • MAXREFDES71支持的平台(即ZedBoard套件)
  • 工业信号源

下载并仔细阅读MAXREFDES71 ZedBoard快速入门指南,按照说明执行每个步骤


用于模拟输入测试的设备:

  • Audio Precision® 信号源或等效器件
  • 电压校准仪DVC-8500
  • 带两个USB端口的Windows PC
  • MAXREFDES32板
  • ZedBoard套件

用于模拟输出测试的设备:

  • Maxim定制FPGA测试板
  • 1个499Ω、0.25W电阻负载
  • Agilent 3458A数字万用表
  • Agilent E3631A直流电源(任何±24V、25mA最小直流电源均可)
  • National Instruments GPIB卡和电缆
  • 用于控制FPGA开发套件和测量设备的Perl脚本
  • Windows PC

测试MAXREFDES71设计时要特别小心,并使用合适的设备。重复呈现测试数据需要使用精度比被测设计更高的信号源。要求必须使用低失真信号源来重复呈现结果。输入信号使用Audio Precision SYS-2722提供。FFT使Mitov Software的SignalLab中的FFT控件创建。

Figure 4. AC FFT for channel 1 (AIN1) using on-board power, a differential -12V to +12V, 20kHz sine wave input signal, a 400ksps sample rate, and a Blackman-Harris window at room temperature

图4.使用板载电源、差分-12V至+12V、20kHz正弦波输入信号、400ksps采样速率和Blackman-Harris窗在室温下针对通道1 (AIN1)进行交流FFT

Figure 5. DC histogram for channel 1 (AIN1) using on-board power; a 0V DC input signal; a 400ksps sample rate; 65,536 samples; a code spread of 6 LSBs with 98.6% of the codes falling within the three center LSBs; and a standard deviation of 0.664 at room temperature

图5.使用板载电源的通道1 (AIN1)的直流直方图;0V直流输入信号;400ksps采样速率;65,536个样本;6 LSB代码分布,其中98.6%的代码分布在三个中心LSB内;室温下标准偏差为0.664

Figure 6. INL for -10V to +10V output range, with 20% overrange

图6.-10V至+10V输出范围的INL,20%超量程

Figure 7. DNL for -10V to +10V output range, with 20% overrange

图7.-10V至+10V输出范围的DNL,20%超量程

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

图8.-10V至+10V输出范围的输出误差,20%超量程

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

图9.-20mA至+20mA输出范围的INL,20%超量程

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

图10.-20mA至+20mA输出范围的DNL,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

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