本應用筆記描述了MAX22000的內(nèi)部構(gòu)建模塊，用于配置模擬IO功能。本文檔介紹了可用于模擬輸入和輸出配置的器件輸入/組件。圖中顯示了常見工業(yè)模擬模式的電路配置。

介紹

從歷史上看，可編程邏輯控制器 （PLC） 系統(tǒng)具有固定功能的 IO 卡（模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出），這在有線編組機柜、更長的部署和安裝計劃以及未來現(xiàn)場更新的不靈活性方面面臨挑戰(zhàn)。使用可配置IO的器件，如MAX22000和MAX14914A，通過在同一端口啟用模擬或數(shù)字、輸入或輸出功能，為數(shù)據(jù)采集（DAQ）、PLC和PAC（可編程自動化控制器）系統(tǒng)提供模塊化的靈活性。這種組合通過用電子編組取代手動有線編組，為動態(tài)軟件配置提供了顯著優(yōu)勢，并增強了 IO 卡中的端口密度。

可配置的模擬和數(shù)字 IO 設備

MAX22000為動態(tài)、軟件可配置、工業(yè)級模擬輸入/輸出（IO）器件，具有電壓和電流選項。MAX14914A為工業(yè)級數(shù)字IO器件，設計用于補充MAX22000，適用于通用IO應用。參見圖 1，其中顯示了支持 2、3 和 4 線工作模式的行業(yè)標準 4 端子連接器的不同 IO 模式。這些器件共同在同一終端上實現(xiàn)可配置的模擬/數(shù)字IO功能，可支持表1中所述的所有常見信號類型和范圍。

圖1.即時軟件可配置 IO。

工業(yè)信號

表 1 顯示了可編程控制器 IEC 61131-2 標準中列出的 PLC 應用中的典型工業(yè)信號類型、值和阻抗限值。

MAX22000可配置模擬IO

MAX22000工業(yè)級模擬IO可通過SPI總線進行配置和控制（圖2）。該器件具有模擬輸出（18位DAC）、模擬輸入（24位三角積分ADC）和信號調(diào)理模塊，可促進所有基本模擬輸入/輸出信號。MAX22000的不同構(gòu)建模塊、IO模式和用例示例詳見應用筆記7134：MAX22000模擬IO配置。

圖2.MAX22000作為模擬IO。

MAX22000具有快速建立的18位DAC和24位三角積分（ΔΣ）ADC，可提供無縫模擬IO性能，適用于圖3所示的四象限應用。這意味著它可以輸出正或負電壓以及灌電流或拉電流，無論電壓是正還是負。MAX22000具有極大的靈活性，非常適合精密應用，如數(shù)據(jù)采集卡、PLC、PAC和其它過程控制系統(tǒng)。

圖3.四象限電壓/電流應用。

準確性、精密度和響應時間

MAX22000采用24位ADC和18位DAC，具有非常高的精度規(guī)格，涵蓋增益和失調(diào)等參數(shù)，在室溫下可實現(xiàn)低至0.02%的最差情況精度。此外，低ppm/°C基準和精心匹配的元件意味著MAX22000非常適合要求在寬工作溫度范圍內(nèi)具有精確性能的精密系統(tǒng)。更高的準確性和精度以及快速的響應時間使自動化流程能夠更快地做出決策，從而創(chuàng)建強大、高質(zhì)量和可靠的解決方案。

MAX14914A可配置數(shù)字IO

典型的 PLC 卡包含更多數(shù)字 IO 端口和單獨的 IO 卡（如果不是特殊情況）。這不是一個優(yōu)化的解決方案，因為這些獨立的物理端口增加了空間、設計復雜性和功耗。設計人員明白，擁有靈活的解決方案是最好的選擇。MAX14914A作為數(shù)字IO功能提供了這種靈活性，如圖4所示。

圖4.MAX14914A配置為數(shù)字輸入或輸出提供了靈活性。

MAX14914A具有可選的輸出類型（推挽式或高壓側(cè)），同時考慮不同類型的可用執(zhí)行器。只需軟件配置，無需外部修改，即可將器件設置為數(shù)字輸入模式，符合三種類型的閾值信號電平。

拼湊在一起：可配置的 IO

在公共節(jié)點上組合數(shù)字和模擬IO時，主要挑戰(zhàn)是，即使數(shù)字引腳處于高阻抗，其漏電流仍會為精密模擬測量產(chǎn)生誤差源。Maxim通過創(chuàng)建具有極低漏電流的常用數(shù)字IO產(chǎn)品的修改版本來解決這個問題，與MAX22000無縫配合。圖5所示為兩個IC（MAX22000和MAX14914A）位于同一端子的組合，以及使用該組合可最大限度減小的漏電流。

圖5.MAX22000和MAX14914A在可配置IO端的MAX14914A漏電流。

圖6和圖7顯示了MAX14914A在不同條件下的輸出漏電特性。使用某個模擬IO時，任何流入或傳出端子的電流都將不利于性能。當邏輯電源輸入連接至DGND時，正0至+10V的漏電特性可以忽略不計。由于電壓為0至-10V，遠低于器件工作電源的GND節(jié)點，MAX14914A可以承受欠壓，同時在兩種條件下將漏電流保持在100μA以下。如圖7所示，當VL邏輯電源輸入連接到DGND時，當輸出電壓為負時，漏電流幅度減小2倍。在正輸出電壓下，漏電流相對降低了100倍。在負輸出電壓下，校準以校正漏電的線性趨勢將有助于提高系統(tǒng)精度。

圖6.MAX14914A輸出漏電（VL = 高/5V）。

圖7.MAX14914A輸出漏電（VL= 低/接地）。

Maxim的高壓工藝技術(shù)使MAX14914A和MAX22000無需使用外部保護器件即可無縫工作。這樣可以保持可靠性并保持性能不變，而不是在添加外部保護時由于泄漏而導致系統(tǒng)性能下降。

MAX22000評估板 - 實現(xiàn)和測試通用IO

MAX22000評估板（EV kit）提供評估MAX22000工業(yè)可配置模擬IO所需的硬件和軟件，既包括本地評估，也可與MAX14914A工業(yè)數(shù)字IO配合使用。MAX22000評估板通過USB端口與PC上運行的圖形用戶界面（GUI）通信，如圖8所示。

可配置IO選項卡允許選擇所有工作模式，GUI照亮MAX22000和/或MAX14914A使用的信號路徑。圖8選擇數(shù)字輸入模式，顯示MAX22000上的GIO引腳如何配置MAX14914A的數(shù)字輸入工作，然后用于讀取輸入狀態(tài)。

圖8.MAX22000評估板和GUI有助于配置MAX22000和MAX14914。

MAX22000評估板演示器件在不同工作模式下的全溫度性能，結(jié)果見整個溫度范圍內(nèi)的性能。下一節(jié)討論的每種工作模式的配置都可以使用MAX22000評估板實現(xiàn)，評估板GUI中附有框圖。

溫度范圍內(nèi)的性能

在通用IO條件下，模擬IO部分必須提供 在整個溫度范圍內(nèi)< ±0.1% FSR誤差，在系統(tǒng)級組合所有誤差源。在以下部分中，將觀察每種模式的性能摘要。

1. 模擬輸入電壓模式（± 12.5V）

圖9所示為使用MAX22000和MAX14914A的模擬輸入電壓配置。

圖9.模擬輸入電壓模式配置。

來自精密校準器的電壓被強制通過端子 1 和 4。在這種情況下，AI3用于執(zhí)行模擬輸入采集。圖10顯示了在0.015%FSR以內(nèi)觀察到的不同溫度下的誤差（%FSR）性能±。

圖 10.不同溫度下模擬輸入電壓模式的誤差 （%FSR） 性能。

端子上的電壓輸入通常由傳感器產(chǎn)生，傳感器可以處理端子中的漏電流，從而不影響其性能。

2. 模擬輸出電壓模式 （± 10V）

模擬輸出強制通過DAC的AOP和AON輸出。AI3輸入將端子1處測得的電壓反饋給DAC，DAC在阻性負載為1kΩ至100kΩ阻性負載時保持所需電壓，如圖11所示。

圖 11.模擬輸出電壓模式配置。

校準是在空載和1kΩ負載下完成的。端子1的漏電流效應預計會在較高負載（100kΩ）下產(chǎn)生最壞情況的誤差，但該誤差通過恒壓反饋來補償，該反饋通過AI3反饋到模擬輸出部分的內(nèi)部電路。這樣可以在端子上保持恒定的所需設定電壓，并且系統(tǒng)性能沒有顯著變化。圖13的以下性能曲線考慮了1kΩ的最差負載，顯示了負載對AOP/AONDAC輸出的影響。

圖12顯示了校準后由于增加1kO負載而引入的偏差或誤差。觀察到該增益誤差在0.005% FSR±范圍內(nèi)。圖13觀察了模擬輸出模式下的可配置IO性能，在不同溫度下觀察到1kO在0.015%FSR以±。

圖 12.不同負載下模擬電壓輸出的誤差 （%FSR），在空載時執(zhí)行校準。

圖 13.1kΩ負載下不同溫度下模擬電壓輸出的誤差（%FSR）。

3. 模擬輸出電流模式 （± 20mA）

模擬電流輸出源/灌電流通過DAC的AOP、AON輸出工作。AI1和AI2輸入將精密電阻兩端測得的電流反饋至DAC，DAC將所需電流保持在幾歐姆至500Ω阻性負載之間，如圖14所示。校準在5O負載下完成，假設測量的最壞情況負載為500Ω。

圖 14.模擬輸出電流模式配置。

電流環(huán)路應用中的預期負載范圍為250Ω，但最大可能為500O。在 500Ω 負載± 20mA 電流時，產(chǎn)生 ± 10V 電壓（圖 15）。因此，在-20mA至0V范圍內(nèi)，漏電流比正極更大。圖15顯示了20mA應用±誤差性能，正如預期的那樣，負環(huán)路電流下的性能在整個溫度范圍內(nèi)為0.13%FSR。與環(huán)路電流的正方向相比，漏電流可以忽略不計，從而保持高性能，如圖16和圖17所示。圖16顯示了由于包含500Ω而引入的誤差，圖17顯示了在0.03%FSR內(nèi)觀察到的不同溫度下的誤差（%FSR）性能。

圖 15.總誤差 （%FSR） 與 20mA 輸出電流±關(guān)系

圖 16.模擬電流輸出與不同負載比較的誤差（%FSR）（使用5Ω負載執(zhí)行校準）。

圖 17.500Ω負載和正環(huán)路電流下模擬電流輸出在不同溫度下的誤差（%FSR）。

電流環(huán)路中的負載通常會在一段時間內(nèi)隨著工業(yè)過程的成熟而變化，在工業(yè)車間的不同要求和時間段內(nèi)。考慮到這種情況，對于負載未知（幾歐姆至500O）的通用電流環(huán)變送器應用，可配置IO（MAX22000和MAX14914A）僅用于正方向（0-20mA）。

如上一節(jié)所示，當輸出電流為負時，MAX14914A漏電的影響不可忽略，不利于在任何未知負載下實現(xiàn)<0.1%的FS性能。但在PLC環(huán)境中的大多數(shù)實際情況下，在電流環(huán)變送器系統(tǒng)中，在啟動階段，負載是確定的（當存在可接受的負載時檢測開路/短路故障）。當負載已知且固定時，可以在使用此已知固定負載的校準序列期間以負電流補償誤差。由于誤差的性質(zhì)是線性的，因此單點負滿量程校準可以補償產(chǎn)生的誤差，從而大幅提高誤差預算。

4. 模擬輸入電流模式 （± 20mA）

典型的4-20mA發(fā)送器是連接在端子1和端子4的500Ω負載上的環(huán)路，如圖18所示。精密負載通過50Ω電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后在AI5和AI6上測量。由于阻性負載是已知的，并且是模擬輸入功能的一部分，因此通常將其放置在板上，然后進行校準。漏電流的影響在校準序列期間得到補償。圖19觀察到了不同溫度下的誤差（%FSR）性能，±0.005%以內(nèi)。

圖 18.模擬輸入電流模式配置。

為了實現(xiàn)低于0.1%FS的系統(tǒng)性能目標，選擇溫度系數(shù)為5ppm/°C至10ppm/°C的電阻可實現(xiàn)精確的性能。考慮一個10ppm/°C溫度系數(shù)（溫度系數(shù)）500Ω電阻的情況。超過100°C時，電阻變化約為±0.5Ω，總誤差為±0.05%FSR。這為來自其他設備的誤差源留下了很少的空間。精密電阻器的選擇將決定系統(tǒng)的性能。

圖 19.500Ω負載下不同溫度下模擬電流輸出的誤差（%FSR）。

5. 模擬輸入電流 （0-20mA） 采用現(xiàn)場電源 +24V

在模擬輸入電流模式下（見圖20），HVDD/HVDDO 為 +32V，HVSS/HVSSO 為 -14V，以適應端子的現(xiàn)場電源。HVDD 和 HVSS 的總絕對最大電壓為 48V，因此 HVSS/HVSSO 使用 -14V。

圖 20.模擬輸入電流模式，端子1處現(xiàn)場供電+24V。

這種獨特的模式與MAX22000的內(nèi)部DAC配合使用，在端子1為傳感器（電流發(fā)送器）提供+24V的現(xiàn)場電源。在這種情況下，高壓側(cè)檢測在50Ω精密電阻上完成。當現(xiàn)場電源需要+24V時，此模式僅支持0-24mA電流。電流檢測放大器的 AI1 和 AI2 輸入用于測量源向傳感器的電流。由于考慮了0-24mA和端子1的正電壓，泄漏引起的誤差源可以忽略不計。 如圖21所示，由于校準的性質(zhì)，在零刻度處觀察到0.03%的誤差偏移。校準是在端子處使用0V的電流源進行的。當+24V現(xiàn)場電源因應用正常工作而使能時，CSA的CMRR會引入誤差。當使用電流源和端子+24V完成校準時，可以避免這種零電平誤差偏移。此模式提供 ±0.04%FSR 錯誤。

圖 21.不同溫度下的誤差 （%FSR） 性能。

當現(xiàn)場電源需要更高的精度時，在MAX22000上配置現(xiàn)場電源使用單獨的校準序列可以緩解這個問題。

結(jié)論

集成MAX22000和MAX14914A模擬IO和數(shù)字IO模塊，可在工業(yè)或數(shù)據(jù)采集應用中整合和高效利用輸入和輸出端口。 通過結(jié)合MAX22000和MAX14914A，可以在不同的輸入和輸出模式下實現(xiàn)高精度的精密系統(tǒng)。滿量程誤差性能表明，它非常適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）、工業(yè)PLC、PAC、過程控制和精度低于0.1%FS的分布式系統(tǒng)。 如果考慮為AO電流模式添加校準序列，則系統(tǒng)在整個4象限V/I輸入和輸出系統(tǒng)中能夠以低于0.1%FS的精度運行。

審核編輯：郭婷