【導讀】工業模擬I⁄O模塊用於和工廠內的傳感器、執行器之間實現精準、didianpingdedianyaxinhaoyudianliuxinhaodeshoufa。tongsuoyoudianziqijianyiyang，changshijiandezhongfushiyonghebuduanbianhuadehuanjingtiaojianhuidaozhiqixingnengxiajiang，yincixuyaoduiqijinxingdingqixiaozhunyiquebaoqinenggouanzhaojidingbiaozhunchixuyunxing。

圖 1. 一名技術人員在接線櫃內進行校準

事實上，對於許多行業來說（例如製藥），對設備進行定期校準是一項製度性要求。訓練有素的技術人員需要訪問裝有I⁄O模塊的接線櫃，以執行校準程序並記錄結果。校準過程中需要使用的多種儀器（信號源和儀表）往(wang)往(wang)很(hen)笨(ben)重(zhong)，難(nan)以(yi)運(yun)輸(shu)和(he)同(tong)步(bu)操(cao)作(zuo)。對(dui)此(ci)
，我(wo)們(men)將(jiang)在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)回(hui)顧(gu)這(zhe)些(xie)校(xiao)準(zhun)設(she)備(bei)的(de)典(dian)型(xing)用(yong)例(li)及(ji)其(qi)特(te)性(xing)規(gui)格(ge)
，同(tong)時(shi)介(jie)紹(shao)我(wo)們(men)的(de)新(xin)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)特(te)性(xing)。該(gai)參(can)考(kao)設(she)計(ji)基(ji)於(yu)軟(ruan)件(jian)可(ke)配(pei)置(zhi)模(mo)擬(ni)(SWIO) IC，在提供現有功能和性能的基礎上可成為新一代超輕便攜校準器產品的標杆。

校準設備

要對I⁄O模塊中所有類型的通道進行校準，需要使用電壓源和電壓表（量程通常為±10 V）、電流源和電流表（量程通常為±20 mA）
、以及信號源。該信號源用於模擬測量I⁄O通道溫度的各類熱電偶和RTD (PT100⁄PT1000)deshuchudianya。youyuzhexieyiqidegongnenggebuxiangtong，jishurenyuanxuyaojiangduojianshebeiyunshudaojiexianguiyijinxingxiaozhun。suiranshimianshangyeyoujubeisuoyouzhexiegongnengdejingmiyiqi，dantamenwangwangjiagegao、尺寸大、重量重，嚴重限製了這些設備的便攜性。

圖 2. 典型校準儀器

圖 3. MAXREFDES183# 精密校準器

圖2顯示了一台具備所有功能的典型校準儀器。其尺寸為220 mm × 173 mm × 320 mm，重達5.7 kg
，精度為0.02%滿量程範圍(FSR)。

更緊湊的校準器

如圖3所示

，參考設計 MAXREFDES183# 是一款可用軟件配置的電池供電的精密校準器，與常見的工業模擬輸入輸出以及電壓電流範圍兼容。該參考設計還提供以下功能：

●     精密模擬電壓輸出
，±10 V（+25%超量程）

●     精密模擬電流輸出，±20 mA（+25%超量程）

●     精密模擬電壓輸入

，±10 V（+25%超量程）

●     精密模擬電流輸入，±20 mA（+25%超量程）

●     精密溫度測量（外置PT100⁄PT1000⁄K型熱電偶）

●     精密溫度模擬器

與笨重的台式校準器相比，這款參考設計校準器的尺寸僅為108 mm × 83 mm × 36 mm，重量僅為283 g。

MAXREFDES183#的功能框圖如圖4所示。

特性

參考設計MAXREFDES183#基於可用軟件配置的工業級模擬I⁄O MAX22000，可用於測量電壓和電流
，並帶有用於測量溫度的輔助輸入引腳（用於連接至TC和RTD）。該IC內置快速建立的18位DAC和24位Σ-Δ型ADC，使用溫漂為5 ppm⁄°C的高度穩定內部基準電壓源，在25°C時誤差小於0.01%。IC的線性範圍為標稱範圍的105%
，而滿量程範圍為標稱範圍的125%。（例如
，對於±10 V的標稱範圍，線性範圍和滿量程範圍分別為±10.5 V和±12.5 V。）IC內置低噪聲PGA，具有高低兩種電壓輸入範圍，以支持ADC對RTD和TC的測量。IC通過高速SPI總線進行配置和通信，采用2.7 V至3.6 V的模擬和數字電源供電、以及高達±24 V的高壓電源供電。IC為64引腳LGA封裝，可在-40°C至+125°C的工業溫度範圍內工作。該參考設計還使用 MAX32625，這是一款超低功耗Arm® Cortex®-M4微控製器，具有512 kB的閃存和160 kB的SRAM，通過SPI接口連接到MAX22000。MAX32625的UART接口連接到板載USB橋接器(FT234XD)和收發器對，用於觸屏顯示。用戶可通過Nextion NX4024K032 3.2'' 400 × 240像素彩色觸屏顯示器進行控製和接收反饋。

熱穩定性

正如人們對高性能測量儀器的期望，MAXREFDES183#整合了多種設計技術以最大限度地提高熱性能
，並改善校準器的整體準確度和整體穩定性。參考設計的溫度監控功能由兩個低功耗I2C溫度傳感器 MAX31875實現

，其中一個傳感器靠近MAX22000放置，而另一個傳感器靠近源端放置，這使得我們可以對端子之間的電壓梯度進行溫度補償。該傳感器在0°C至70°C之間具有±1°C的準確度。50 Ω電阻用於設置I⁄O電流
，具有高準確度（0.1%容差）和高溫度穩定性（0.2 ppm⁄°C）。此外，四個由FET驅動的加熱電阻靠近MAX22000放置，以便在測量之前設置和穩定環境溫度。為了進一步提高熱穩定性，參考設計使用一個小金屬外殼（麵積大約為1平方英寸）來覆蓋MAX22000及與其鄰近的溫度傳感器IC和加熱電阻。

電源管理

校準器由兩個3.6 V 3500 mAh的鋰電池供電。電量計 MAX17320 用於監控和管理電池狀態
，包括電壓
、電流和溫度，並使用外部高邊FET來防止過壓⁄欠壓、過流

、短路
、過冷⁄過熱、過充電和內部自放電。IC內置的充電規程確保電池在安全條件下運行，從而延長電池在兩次充電之間的使用時間。IC會對電池老化情況、溫度和放電速率進行自動補償，在各種工作條件下能準確 提供電池的充電狀態（以毫安時mAh或百分比%顯示）。IC外接熱敏電阻用於測量電池溫度。反激式轉換器 MAX17498 將標稱5V的USB電壓提升至標稱7.2V的電池組電壓
，從而為眾多DC-DC轉換器提供電壓輸入，生成為其他器件供電電源軌。MAXREFDES183#功耗為110 mA（典型值）
，在電池充電周期之間正常使用時間長達31小時。

圖 4. MAXREFDES183# 精密校準器的功能框圖

高準確度

圖5為-20°C和+70°C之間的I⁄O電壓和電流的測量結果
，表明參考設計在 25°C（室溫）時的誤差在0.01% FSR以內。

穩定性

工作溫度範圍內的高準確度固然重要
，但校準設備通常在溫度相對穩定的環境中使用（和存儲）。因此，它們在固定溫度下
、在較長時間間隔內表現出的高度可重複性也很重要。圖6顯示MAXREFDES183#具有±4 ppm的精度（漂移）。其中，參考設計被配置為電壓模式下的5 V模擬輸出
，記錄設備為National Instruments的7.5位數字萬用表PXIe 1073，測試環境溫度為25°C，記錄時間為7天（168小時），記錄間隔為15分鍾。

圖 5. MAXREFDES183# 在 –20° C 至 +70° C 範圍內的電壓和電流的準確度

圖 6. MAXREFDES183# 模擬輸出電壓的穩定性（漂移）

校準器的校準

即使是精密校準器也需要定期校準。MAXREFDES183#包括一個預燒錄的校準程序（參見圖7）
，它向用戶清楚地說明了應如何連接外部儀表和信號源。同時，該程序可向用戶提供反饋，並解釋結果是否在可接受的範圍內。

MAXREFDES183#的3D打印文件 可供用戶下載以製作校準器的外 殼。3D打印的外殼如圖8所示。

圖 7. MAXREFDES183# 校準菜單

圖 8. MAX220000 精密校準器的 3D 打印外殼

結論

參考設計MAXREFDES183#精密校準器為一種輕巧、超便攜、電池供電的校準器，其功能、性能和準確度可媲美更大、更重、更昂貴的解決方案。其潛在應用包括：實驗室設備的校準、工業控製設備的調整
、智能傳感器和執行器的現場校準。

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