MAX22005可配置模擬輸入支持靈活的工業(yè)控制系統(tǒng)

本應(yīng)用筆記提供信息，幫助系統(tǒng)工程師利用MAX22005開發(fā)極其精密、高度可配置、多通道的工業(yè)模擬輸入前端。

介紹

靈活性和快速適應(yīng)新條件是成功經(jīng)營企業(yè)的最重要特征之一。這種表達(dá)方式適用于從食品加工和紡織品生產(chǎn)商到汽車制造商和火車制造商的工業(yè)和制造業(yè)類型的企業(yè)。

MAX22005為多通道、工業(yè)模擬輸入器件，將模擬前端（AFE）與高壓保護(hù)和測量元件相結(jié)合。MAX22005可配置為12個(gè)單端或6個(gè)差分輸入通道，允許多達(dá)26種不同的配置，可與任何類型的傳感器（電壓或電流）配合使用。MAX22005具有高性能、24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），在所有通道之間共享，如圖1所示。

圖1.MAX22005功能框圖

本應(yīng)用筆記提供了利用MAX22005高度靈活的多通道工業(yè)輸入配置的實(shí)際示例，這些輸入通常用于可編程邏輯控制器（PLC）、可編程自動(dòng)化控制器（PAC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS）。

MAX22005輸入三路

MAX22005的12個(gè)輸入通道可配置為12個(gè)單端輸入或6個(gè)差分對。此外，MAX22005提供三個(gè)連續(xù)輸入的獨(dú)特組合，組合成一個(gè)三路，具有更大的靈活性。MAX22005可支持總共四個(gè)高度靈活的三元組，采用AI1–AI3、AI4–AI6、AI7–AI9和AI10–AI12的組合。對于單端模擬輸入電壓模式 （AIVM），三元組接受 0V 至 ±12.5V 的工業(yè)信號電平，對于差分 AIVM，三元組接受 ±25V 的工業(yè)信號電平。

MAX22005采用外部檢測電阻RSENSE（典型范圍為50？至250？），接受0mA至±25mA的單端電流和±25mA的差分模擬輸入電流模式（AICM），將電流輸入轉(zhuǎn)換為電壓輸入。整個(gè)芯片共有 26 種可能的配置可用。圖2所示為MAX22005中的三重器件位置。輸入端口有多種可能的配置，包括 AI1-AI3 三元組。

圖2.MAX22005輸入端口三元組

單端輸入配置

單端輸入配置允許最多使用12個(gè)輸入端口。MAX22005具有>1G的高阻輸入。這允許單端配置同時(shí)適用于 AIVM 和 AICM 模式，而不會(huì)影響測量精度。單端配置如圖3所示。

圖3.單端輸入配置。

差分輸入配置

差分輸入允許精確測量，同時(shí)忽略導(dǎo)線上的壓降或共模電壓，從而減少輸入通道的數(shù)量。MAX22005允許0V至±10V的共模范圍。在多功能（又名三重）配置中，差分輸入的總數(shù)多達(dá)六個(gè)或八個(gè)。差分輸入用于 AIVM 和 AICM 模式。差分輸入連接示例如圖4所示。圖4a中的電壓輸出傳感器可以連接在IN1和IN2之間，也可以連接在IN1和IN3端口之間。

與兩個(gè)差分電壓輸出傳感器和單個(gè)公共電壓VCOM的連接如圖4b所示。與兩個(gè)具有不同公共電壓的差分電壓輸出傳感器的連接如圖4c所示。請注意，圖4b中計(jì)算電壓的符號是相反的。

圖 4a、b、c. MAX22005 AIVM 模式差分連接。

圖 4 中的示例允許固定 AIVM 或 AICM 模式配置，這限制了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。MAX22005還允許多功能配置來解決這個(gè)問題。

使用三元組的多功能輸入配置

多功能配置允許系統(tǒng)使用軟件在AIVM和AICM模式之間進(jìn)行選擇。這是通過SPI命令和GPIO控制外部通用模擬開關(guān)（如MAX14757）完成的。這意味著任何電壓輸出或電流輸出傳感器都可以連接到PLC或PAC的同一輸入端口，而無需重新布線，并且可以使用預(yù)先開發(fā)的固件與這些傳感器一起工作。圖5所示為連接到MAX22005的電流輸出傳感器示例。圖 6 顯示了連接到 IN1 和 IN3 輸入端口的電壓輸出傳感器。

圖5.MAX22005與電流輸出傳感器連接，采用多功能配置。

圖6.MAX22005與多功能配置的電壓輸出傳感器連接。

在圖5中，輸入電流從傳感器流經(jīng)R意義電阻和 SW1 開關(guān)接地。它在 AI1 和 AI2 之間以差異方式測量。模擬開關(guān) （SW1） 的導(dǎo)通電阻 （RON） 并不顯著，因?yàn)樗话ㄔ?R 兩端測量的壓降中意義.但是，對于此應(yīng)用，建議使用MAX14757或MAX14760等低漏電開關(guān)。

除了電流測量外，系統(tǒng)還可以通過AI1–AI3差分測量確定電壓和功耗信息?？梢允褂玫统杀镜膎-MOSFET作為開關(guān)，例如Nexperia的2N7002NXAK。輸入端子上可能需要一個(gè)額外的瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）來保護(hù)開關(guān)和檢測電阻。?

圖6中，SW1開關(guān)關(guān)斷，MAX22005通過AI1–AI3差分測量測量電壓信息。

圖7顯示了輔助兩種不同類型的傳感器的另一種可能性。在本例中，電流輸出傳感器連接在IN1和地之間，而電壓輸出傳感器可以連接在IN3和地之間。電流通過 AI1–AI2 差分輸入測量，電壓通過 AI3 單端輸入測量。

圖7.MAX22005三路連接，帶電壓和電流傳感器。

利用MAX22005和RTD進(jìn)行溫度測量

圖8所示為使用MAX22005三元器件的電阻式溫度檢測器（RTD）進(jìn)行溫度測量的實(shí)際實(shí)現(xiàn)。在本例中，RTD的激勵(lì)電流由使用MAX44250運(yùn)算放大器和2.49k的電流源產(chǎn)生。精密電阻器。

圖8.MAX22005溫度測量采用RTD。

MAX22005的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)（REF_OUT）提供2.5V緩沖輸出，維持在2.49k電壓上。電阻器通過RTD和2.49k產(chǎn)生1mA電流？電阻器。MAX22005最多可連接4個(gè)RTD，利用MAX44252四通道運(yùn)算放大器。

RTD電阻可以通過公式1計(jì)算，溫度可以通過求解公式2中的Callendar-Van Dusen方程來確定。

其中：

VAI1-AI2是在 AI1 和 AI2 輸入之間測量的差分電壓。

VAI1-AI3是在 AI1 和 AI3 輸入之間測量的差分電壓，表示 RTD 導(dǎo)線上的壓降。

VAI3上的單端壓降是嗎？電阻器。

R（T） = R0（1 + A × T + B × T2? 100 × C × T3+ C × T4）

其中：

R（T） = 溫度 T 時(shí)的 RTD 電阻 （°C）

R0 = 0°C 時(shí)的 RTD 電阻

A、B 和 C 常數(shù)源自實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)，并受 IEC751 標(biāo)準(zhǔn)的約束。它們還必須由RTD制造商提供。

對于 Pt100 RTD 和電阻溫度系數(shù)，a = 0.003850，其中：

A = 3.90830 × 10（?3）B = ?5.77500 × 10（?7）

C = ?4.18301 × 10?12?200°C = T = 0°C C = 0 為 0°C = T = +850°C

結(jié)果通過MAX22005評估板、MAX44250評估板和Fluke 724溫度校準(zhǔn)器進(jìn)行Pt100 RTD仿真，如表1所示。?

MAX22005的完整實(shí)現(xiàn)

圖9所示為MAX22005在工業(yè)控制系統(tǒng)（如PLC、DSC或PAC）中的實(shí)現(xiàn)方案。它說明了MAX 22005能夠支持以下組合以及許多其他電流傳感器、電壓傳感器和RTD的多種方式：

四個(gè)電流傳感器，帶兩根或三根線

四個(gè)電壓傳感器，帶兩根或三根線

上述方案的多種組合。例如：

三個(gè)電流傳感器 + 一個(gè)電壓傳感器

兩個(gè)電流傳感器 + 兩個(gè)電壓傳感器

一個(gè)電流傳感器+三個(gè)電壓傳感器

四個(gè) RTD

AI5/AI6 （AI11/AI12） 上的兩個(gè)熱電偶 （TC），AI1、AI2、AI3 和 AI7、AI8、AI9 上的兩個(gè) RTD 用于測量冷端溫度

圖9.MAX22005在工業(yè)控制系統(tǒng)中的完全應(yīng)用。

結(jié)論

工業(yè)級傳感器與MAX22005多通道模擬輸入之間的連接方案允許構(gòu)建精確且高性價(jià)比的系統(tǒng)方案。MAX22005允許系統(tǒng)工程師開發(fā)高度可配置和靈活的工業(yè)控制系統(tǒng)，以應(yīng)對二十一世紀(jì)的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷