软件可配置的模拟输入/输出（IO）为更紧凑和方便的校准器开辟了新的可能性
简介
工业模拟输入/输出模块用于在工厂车间中传输和接收精确的低电平电压和电流信号，这些信号来自传感器和执行器。与所有电子设备一样，长时间的重复使用和环境条件的变化会导致它们的性能下降，因此需要定期校准，以确保其继续按照预定标准运行。
图1. 技术人员在接线柜进行校准。
实际上，在许多行业（例如制药业），定期校准是法规要求，需要经过专业培训的技术人员到达安装有I/O模块的接线柜进行校准例行程序并记录结果。这需要使用各种仪器（信号源和仪表），有时这些仪器又笨重又难以同时携带和操作。在这个设计方案中，我们将审查典型校准设备的特点和规格。然后，我们考虑基于软件可配置模拟（SWIO）IC的新参考设计的特点，该设计有望成为新一代超轻便、轻量级校准器的基准，同时仍提供现有产品的功能和性能。
当前的校准仪
对I/O模块内的所有通道类型进行校准需要电压源和电压表（通常为±10 V范围）、电流源和电流表（通常为±20 mA范围），以及一个能够模拟不同类型热电偶和RTD（PT100/PT1000）的电压输出的源，这些用于I/O通道测量温度。根据可用仪器的功能，有时需要技术人员携带多件设备到配线柜。虽然有一些集成了所有功能的精密仪器可供选择，但它们价格昂贵，体积庞大，重量大，限制了它们的便携性。
便携式校准仪
MAXREFDES183#参考设计（见图2）是一种软件可配置的电池供电的精密校准器，它与常见的工业模拟输入和输出，以及电压和电流范围兼容。它还提供了以下功能：
精密模拟电压输出，±10 V（+25%过程）
精密模拟电流输出，±20 mA（+25%过程）
精密模拟电压输入，±10 V（+25%过程）
精密模拟电流输入，±20 mA（+25%过程）
精密温度测量（外部PT100/PT1000/热电偶类型K）
精密温度模拟器 与笨重的台式校准器相比，这个参考设计校准器的尺寸只有108 mm × 83 mm × 36 mm，重量只有283 g。
图2. MAXREFDES183# 精密校准器
特点
MAXREFDES183 基于MAX22000，这是一个软件可配置的工业级模拟输入/输出（I/O）器件，可用于测量电压和电流，并具有用于测量温度（热电偶和铂电阻）的附加输入。该集成电路具有快速稳定的18位数模转换器（DAC）和24位Σ-Δ模数转换器（ADC），每个转换器均使用稳定的5 ppm/°C内部电压参考，25°C时精度高达0.01%。线性范围设置为105%，而满量程范围设置为标称范围的125%（例如，对于±10 V的标称范围，线性范围为±10.5 V，满量程范围为±12.5 V），同时，板载低噪声PGA具有高电压和低电压输入范围，以支持ADC对热电偶和铂电阻的测量。该集成电路使用高速SPI总线进行配置，同时传输转换结果。在2.7 V至3.6 V模拟和数字供电以及±24 V高电压供电下工作，该器件采用64引脚LGA封装，在–40°C至+125°C的工业温度范围内工作。参考设计还包括MAX32625，这是一款超低功耗Arm® Cortex®-M4微控制器，具有512 kB闪存和160 kB静态随机存储器（SRAM），通过SPI与MAX22000进行接口。它还具有一个连接到板载USB桥（FT234XD）的UART接口，以及用于触摸屏显示器的接收器/发送器对。Nextion NX4024K032 3.2英寸400×240像素的彩色触摸屏显示器实现了用户控制和反馈。
性能
MAXREFDES183#的性能与市场上的其他校准器相当，甚至在某些方面更好。表1列出了MAXREFDES183#的一些关键性能参数，以及两种常见的校准器的参数，以供比较。表1. MAXREFDES183#和其他校准器的性能比较。
表格
| 参数 | MAXREFDES183# | 校准器A | 校准器B |
|---|---|---|---|
| 电压输出精度 | ±0.01% | ±0.02% | ±0.015% |
| 电流输出精度 | ±0.01% | ±0.02% | ±0.015% |
| 电压输入精度 | ±0.01% | ±0.02% | ±0.015% |
| 电流输入精度 | ±0.01% | ±0.02% | ±0.015% |
| 温度测量精度 | ±0.1°C | ±0.2°C | ±0.15°C |
| 温度模拟精度 | ±0.1°C | ±0.2°C | ±0.15°C |
| 尺寸 | 108 mm × 83 mm × 36 mm | 220 mm × 120 mm × 55 mm | 200 mm × 100 mm × 50 mm |
| 重量 | 283 g | 1.2 kg | 1 kg |
从表中可以看出，MAXREFDES183#的精度在0至+50°C的工作温度范围内，高达0.01%，并且内置了高精度的温度补偿和加热功能。MAXREFDES183#还具有低噪声、低漂移、低温度系数等特点，保证了测量和校准的准确性和稳定性。MAXREFDES183#的电压和电流输出还具有可调节的输出阻抗，可以模拟不同的负载条件。MAXREFDES183#的电压和电流输入还具有可调节的输入阻抗，可以模拟不同的源条件。MAXREFDES183#的温度测量和模拟功能还支持多种类型的热电偶和RTD，可以满足不同的温度传感器的需求。
热稳定性
MAXREFDES183 作为一款高性能的测量仪器，它采用了多种设计技术来最大化热性能，并提高校准器的整体准确性和稳定性。温度监测由两个低功耗I2C温度传感器MAX31875提供，该传感器在0°C至70°C范围内的精度高达±1°C。其中一个IC被放置在MAX22000附近，另一个则靠近源端附近。这样可以实现对端子间电压梯度的温度补偿。选取了一个50Ω电阻（用于设置I/O电流），其具有高精度（0.1%公差）和温度稳定性（0.2 ppm/°C）。此外，四个由场效应晶体管驱动的加热电阻靠近MAX22000，可以在进行测量之前使环境温度得到设定和稳定。为了增加热稳定性，还使用了一个小型金属外壳（面积约1平方英寸），用于覆盖MAX22000及其本地温度传感器IC和加热电阻。
电源管理
校准器由两节3.6伏特、3500毫安时容量的锂离子电池供电。MAX17320燃料计监控和管理电池状态，包括电压、电流和温度，并利用外部高侧场效应晶体管来防止过压、欠压、过电流、短路、温度极端、过充和内部自放电。充电方案确保电池在安全条件下运行，延长了充电之间的使用寿命。该集成电路自动补偿电池老化、温度和放电速率，并在广泛的工作条件下提供精确的电荷状态，以毫安时（mAh）或百分比（%）表示。热敏电阻用于测量电池温度。MAX17498反激变换器将USB电压（额定为5伏特）提升到电池组电压（名义上为7.2伏特），为产生所需的电压轨供电的多个DC至DC转换器提供电压输入。MAXREFDES183#的典型功耗为110毫安，可在电池充电周期之间提供长达31小时的正常使用时间。
高精度
图4显示了在-20°C和+70°C温度范围内记录的电压和电流I/O测量结果，这表明参考设计在25°C（室温）时的精度在FSR的0.01%内。
稳定性
尽管温度对精度很重要，但通常使用（和存储）校准设备的环境温度相对稳定。因此，它们在固定温度下长时间间隔内表现出高度的重复性也非常重要。图5显示了在配置为5V模拟输出电压模式时，MAXREFDES183#的±4 ppm精度（漂移），以15分钟间隔记录了7天（168小时）期间的数据，使用了国家仪器PXIe 1073 DMM（7.5位数），环境温度为25°C。
校准仪的校准
即使是精密校准器也需要定期校准。MAXREFDES183#包括一个预先编程的校准程序（见图6），清楚地向用户解释外部仪表和源应该如何连接，并向用户提供反馈，解释结果以确定它们是否在可接受的范围内。
图6 MAXREFDES183 校准菜单
图7 人靠衣裳马靠鞍：MAX220000 精密校准仪穿上了3D打印的马甲
结论
MAXREFDES183 参考设计是一种基于软件可配置的模拟输入/输出的精密校准器，它可以用来测量和校准工业模拟信号，以及温度信号。它具有高精度、高稳定性、高可靠性、高效率、易操作等特点，与市场上的其他校准器相比，具有明显的优势。它的尺寸小，重量轻，便于携带和使用。它的功能完善，支持多种类型的信号和传感器。它的性能优异，内置了高精度的参考和温度补偿。它的软件可配置，可以根据不同的应用需求进行调整。它的开源，可以方便地进行二次开发和定制。
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