Resumen: En este documento se explica cómo el Fresno (MAXREFDES11 #) diseño de referencia subsistema satisfaga la resolución más alta y mayores necesidades de voltaje de control industrial y aplicaciones de automatización industrial. Archivos de hardware y firmware de diseño, así como FFTs y los histogramas de las mediciones de laboratorio se proporcionan.
Introducción
Baja resolución y bajo voltaje de entrada analógico-a-digital (ADC) se integran en muchas de las matrices de hoy en día de puertas programables (FPGAs) y microcontroladores. Sin embargo, no llegan a satisfacer las necesidades de control industrial y aplicaciones industriales de automatización que requieren altas resoluciones y altos voltajes de entrada.El Fresno ( MAXREFDES11 # ) el diseño del subsistema de referencia es un 16-bits de alta precisión industrial Analog Front End (AFE) que acepta señales de 0 a 10V y características aisladas de alimentación y datos, todo integrado en un factor de forma pequeño . El diseño Fresno integra una precisión ultra-bajo ruido tampón ( MAX44250 ); una alta precisión ADC (MAX11100 ); una referencia de ultra-alta precisión voltaje 4.096V ( MAX6126 ); 600V RMS datos aislamiento ( MAX14850 ), y aislado regulado / +5.5 V, +5 V y-3V poder carriles ( MAX256 / MAX1659 / MAX1735 ). Esta solución AFE se puede utilizar en cualquier aplicación que requiera alta precisión de analógico a digital de conversión, sino que está destinada principalmente para sensores industriales, automatización industrial, control de procesos, controladores lógicos programables (PLCs), y aplicaciones médicas.
Figura 1. El subsistema de Fresno diseño de diagrama de bloques.
Características
Aplicaciones
- Alta precisión
- 0 a 10V rango de entrada
- Alimentación aislada y datos
- Pequeña área de PCB
- PMod ™ compatible con factor de forma
- Sensores industriales
- Control del proceso
- Automatización industrial
- PLC
- Médico
Descripción detallada de Hardware
La especificación PMod permite tanto 3.3V y 5V módulos, así como varias asignaciones de patillas. Este módulo está diseñado sólo para una tensión de alimentación de 3,3 V y utiliza los SPI asignaciones de patillas, como se ilustra a la derecha.
Los requisitos de energía se muestran en la Tabla 1 . Las plataformas soportadas actualmente y los puertos se muestran en la Tabla 2.
| Tabla 1. Opciones de Energía para el diseño de referencia Fresno Subsistema | |||
| Tipo Potencia | Jumper Shunt | Voltaje de entrada (V) | Corriente de entrada (mA típico) |
| A bordo aislado poder | JU1: 1-2 JU2: 2-3 JU3: 1-2 | 3,3 | 71 |
| Alimentación externa | JU1: 2-3 JU2: 1-2 JU3: 2-3 | 6 | 10 |
| -5 | 2 | ||
| Tabla 2. Plataformas compatibles y Puertos | |
| Plataformas compatibles | Puerto |
| Nexys ™ 3 plataformas (Spartan ® -6) | JB1 |
El diseño de hardware Fresno proporciona potencia aislado (MAX256) y los datos aislados (MAX14850) para una alta precisión, la señal de 0 a 10V, de analógico a digital de aplicación de conversión.
El MAX44250 (U1) op amp circuito de entrada atenúa y almacena una señal de 0 to10V para que coincida con el rango de entrada del ADC (MAX11100), que es 0 a 4.096V.
El MAX11100 (U2) es un 16-bit, registro de aproximaciones sucesivas (SAR) ADC con Autoapagado ™ y rápidas características 1.1μs despertador. De entrada del ADC de referencia es impulsado por una referencia de tensión ultra alta precisión 4.096V, el MAX6126 (U3), con 0,02% de precisión inicial y un 3 ppm / ° C máximatemperatura coeficiente ( tempco ).
El MAX256 (U4) proporciona un aislado, la clase funcional de aislamiento solución de energía que acepta 3,3 V y la convierte a ± 6V utilizando un off-the-shelf TGN-H251NF de Halo ® transformador con una relación de 1:1 a razón de transformación primaria secundaria más una externa tensión de a bordo-doblador de circuito.Post-regulación se realiza mediante el MAX1659 caída baja (LDO) regulador (para +5 V) y el MAX1735 caída baja (LDO) regulador (es-3V). Aislamiento de los datos se realiza usando el MAX14850 (U5) Aislador digital de datos. El poder combinado de datos y el aislamiento conseguido es 600 V RMS .
La impedancia de entrada de señal del subsistema de Fresno es 5kΩ (R19 + R20). Lo ideal sería que la impedancia de entrada debe ser alta, pero las grandes resistencias de inducir una mayor ruido térmico y degradar el rendimiento de ruido. Por lo tanto, los valores de las resistencias de entrada R19 y R20 son dependiente de la aplicación. Tenga en cuenta que al elegir diferentes valores para las resistencias de entrada para atenuar correctamente una señal de 10V a una señal de 4V, R19 = 1,5 × R20.
Para utilizar las fuentes aisladas en la placa de potencia, mueva las derivaciones en puente y JU1 JU3 a la posición 1-2 y mover la derivación en puente JU2 a la posición 2-3. Para utilizar una fuente de alimentación externa, mueva las derivaciones en puente y JU1 JU3 a la posición 2-3 y mover la derivación en puente JU2 a la posición 1-2. Conecte el terminal de tierra de la fuente de alimentación externa al conector GND2, el V 6-12 V suministro al EXT_V + conector y el 3.3V a 5V para el EXT_V-conector. Véase la Tabla 1 para la configuración del puente y de los requisitos de entrada actuales.
Descripción detallada de Firmware
El diseño Fresno firmware fue lanzado inicialmente para el 3 Nexys kit de desarrollo y orientadas a Microblaze ™ microcontrolador núcleo suave que se coloca dentro de un Xilinx ® Spartan-6 FPGA . Soporte para plataformas adicionales pueden ser añadidos periódicamente en los archivos de firmware en el diseño All Filessección. Las plataformas soportadas actualmente y los puertos se muestran en la Tabla 2.
El firmware es un ejemplo práctico de cómo interactuar con el hardware, recoger muestras, y guardarlos en la memoria. El flujo de proceso simple se muestra en la Figura 2 . El firmware está escrito en C usando la herramienta de Xilinx SDK, que está basado en Eclipse ™ abierto fuente estándar. Custom Fresno funciones específicas de diseño fueron creados utilizando el estándar de Xilinx XSpi 3.03A versión del núcleo. La frecuencia de reloj SPI está en 3.125MHz.
Figura 2. El diagrama de flujo firmware Fresno.
El firmware acepta comandos, escribe estado, y es capaz de descargar los bloques de datos muestreados para un programa de terminal estándar a través de un puerto COM virtual. El código fuente completo se proporciona para acelerar el desarrollo del cliente. Documentación de código puede encontrarse en los archivos correspondientes de la plataforma de firmware.
Inicio Rápido
Equipo necesario:
- De Windows ® PC con dos USB puertos
- Fresno (MAXREFDES11 #) Junta
- Fresno con apoyo de la plataforma (es decir, Nexys 3 kit de desarrollo)
- Industrial sensor o señal de la fuente
Descargar, leer y seguir cuidadosamente cada paso del Fresno (MAXREFDES11 #) NEXYS 3 Guía de inicio rápido .
Las mediciones de laboratorio
Equipo utilizado:
- Audio Precision ® fuente SYS-2722 señal o equivalente
- Voltaje calibrador DVC-8500
- Windows PC con dos puertos USB
- Fresno (MAXREFDES11 #) tablero
- Nexys 3 kit de desarrollo de
- +10 V de alimentación
- -5V fuente de alimentación
Especial cuidado hay que tener el equipo adecuado y debe ser utilizado cuando se prueba el diseño de Fresno. La clave para comprobar cualquier diseño de alta precisión es el uso de fuentes y equipos de medición que son de mayor precisión que el diseño bajo prueba. A la baja distorsión fuente de señal es absolutamente necesario con el fin de duplicar los resultados presentados. La señal de entrada se generó utilizando el Precision Audio SYS-2722. La FFT se crearon utilizando el control FFT en SignalLab de Software Mitov .
AC y DC rendimiento de energía a bordo aisladas se muestra en la Figura 3 y Figura 4 . AC y DC para el rendimiento de alimentación externa se muestra en laFigura 5 y la Figura 6 .
Figura 3. AC FFT usando energía a bordo aislado, un 0 a 10V 1kHz señal de entrada de onda sinusoidal de alta impedancia de entrada, una frecuencia de muestreo 20ksps, y una ventana de Blackman-Harris.
Figura 4. DC histograma usando energía a bordo aislado; una señal de entrada de 5 V, una velocidad de muestreo 20ksps; 65.536 muestras, un código de expansión de 8 bits menos significativos con 96,3% de los códigos incluidos en los tres bits menos significativos del centro, y una desviación estándar de 0,785.
Figura 5. AC FFT usando alimentación externa, a. 0 a 10V 1kHz señal de entrada de onda sinusoidal, una frecuencia de muestreo 20ksps, y una ventana de Blackman-Harris
Figura 6. Histograma DC utilizando energía externa; una señal de entrada de 5 V, una velocidad de muestreo 20ksps; 65.536 muestras, un código de expansión de 7 bits menos significativos con 98,5% de los códigos incluidos en los tres bits menos significativos del centro, y una desviación estándar de 0,651.
Todos los archivos de diseño
Descargar todos los archivos de diseño.
Archivos de hardware
Esquema de
lista de materiales (BOM)
diseño de PCB
PCB Gerber
CAD PCB (PADS 9,0)
Archivos firmware
Nexys 3 plataforma (Spartan-6)
Compra de diseño de referencia
Precision Audio es una marca registrada de Audio Precision, Inc. Desconexión automática es una marca comercial de Freescale Semiconductor, Inc. Eclipse es una marca comercial de Eclipse Foundation, Inc. Halo es una marca registrada de Halo Electronics, Inc. es una marca MicroBlaze de Xilinx , Inc. Nexys es una marca comercial de Digilent Inc. PMod es una marca comercial de Digilent Inc. Spartan es una marca registrada de Xilinx, Inc. Windows es una marca registrada y marca de servicio registrada de Microsoft Corporation. Xilinx es una marca registrada y de servicio registrada marca de Xilinx, Inc.
| Piezas relacionadas | ||
| MAX11100 | 16-Bit, +5 V, 200KSPS ADC con apagado 10μA | Muestras gratuitas |
| MAX14850 | Seis canales de Digital Isolator | |
| MAX1659 | De entrada 350mA, 16.5V, Reguladores de baja caída lineales | Muestras gratuitas |
| MAX1735 | Regulador 200mA, Negativo-Output, Low-Dropout Linear en SOT23 | Muestras gratuitas |
| MAX256 | 3W del lado primario del transformador H-Bridge Driver para fuentes aisladas | Muestras gratuitas |
| MAX44250 | 20V, alta precisión y bajo ruido Amplificadores Operacionales | Muestras gratuitas |
| MAX6126 | Ultra-High-Precision, Ultra-Low-Noise, Series Referencia de tensión | Muestras gratuitas |
| MAXREFDES11 | Fresno (MAXREFDES11 #): 16-bits de alta precisión de 0 a 10V de entrada aislada Analog Front End (AFE) | |
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