Resumen: En este documento se explica cómo los de Cupertino (MAXREFDES5 #) diseño de referencia subsistema satisfaga la mayor resolución, mayor tensión y aislamiento necesidades 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
Imagen más detallada (JPG)
Matrices de hoy puertas programables de campo (FPGA) y microcontroladores con interno analógico-a-digital (ADC) son capaces de baja resolución y baja tensión entradas analógicas. Sin embargo, ellos están a la altura de su capacidad para satisfacer las necesidades de aplicaciones de control industrial y automatización industrial, donde el aislamiento, mayor resolución y mayor tensión soluciones de sistemas a menudo son necesarios. La Cupertino ( MAXREFDES5 # ) diseño de referencia es un subsistema de 16 bits de alta precisión industrial Analog Front End (AFE) que acepta-10V a +10 V, 0 a 10V y 4-20mA bucle de corriente con alimentación aislada y datos integrados en un factor de forma pequeño. El diseño integra Cupertino bajo nivel de ruido de alta impedancia buffers analógicos (MAX9632 ), una alta precisión ADC con innovador en el chip atenuación ( MAX1301 ), una referencia de precisión ultra alta tensión de 4.096V ( MAX6126 ), 600V RMS datos aislamiento ( MAX14850 ) y aislados / regulado de +12 V,-12V y 5V carriles de alimentación ( MAX256 / MAX1659 ). 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 Cupertino diseño de diagrama de bloques.
Características
Aplicaciones
- Alta precisión
- ± 10 V, 0 a 10 V, y las entradas 4-20mA
- Alimentación aislada y datos
- Pequeña placa de circuito impreso (PCB) área
- PMod ™ compatible con factor de forma
- Sensores industriales
- Control del proceso
- Automatización industrial
- PLCs
- 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 Cupertino Subsistema | |||
| Tipo Potencia | Jumper Shunt | Voltaje de entrada (V) | Corriente de entrada (mA típico) |
| A bordo aislado poder | JU3: 1-2 JU4: 2-3 JU5: 1-2 | 3,3 | 221 |
| Alimentación externa | JU3: 2-3 JU4: 1-2 JU5: 2-3 | 3,3 | 6,3 |
| 12 | 30,4 | ||
| -12 | 7,3 | ||
| Tabla 2. Plataformas compatibles y Puertos | |
| Plataformas compatibles | Puertos |
| Nexys ™ Platform 3 (Spartan ® -6) | JB1 |
El diseño del hardware Cupertino está específicamente optimizado para aplicaciones que utilizan-10V a +10 V, 0 a 10V y 4-20mA. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, ciertas partes del circuito puede ser omitido. Una explicación completa de qué partes se necesitan o se puede omitir sigue. Consulte el archivo para ver el esquema bajo el diseño All Files sección.
El MAX1301 (U3) es un 16-bit, registro de aproximaciones sucesivas (SAR) ADC con entradas MultiRange únicos capaces de aceptar señales de entrada de tensión de hasta 12.288 V a 12.288V. El ADC también ha integrado buffers de entrada analógica con una entrada de 17kΩ resistencia .
La primera MAX9632 amplificador (U1) está optimizado para bajo nivel de ruido,-10V a +10 V voltajes de entrada. El segundo amplificador MAX9632 (U2) está optimizado para bajo nivel de ruido, 4-20mA corrientes de entrada. Tanto U1 y U2 proporcionar alta impedancia de entrada para las señales de entrada que tengan una gran fuente de resistencia, o en el caso del bucle de 4-20mA, una resistencia de carga 250Ω. Resistencias grandes de origen a menudo atenuar las señales por un factor indeseable.
Si la fuente de señal tiene una resistencia de fuente significativamente baja en comparación con 17kΩ, o en el caso del bucle de 4-20mA, si la combinación en paralelo de 250Ω y 17kΩ proporciona una precisión aceptable en la aplicación, a continuación, U1 y U2 pueden ser eliminados. ADC canales AIN1 y AIN3 son ejemplos del uso de sólo los buffers internos 17kΩ entrada analógica.
Aunque el ADC MAX1301 tiene una referencia interna de voltaje 4.096V, para mayor precisión, utilice el MAX6126 externa (U4) de referencia de tensión con 0,02% de precisión inicial y un 3 ppm / ° C máxima temperatura coeficiente ( tempco ).
El MAX256 (U5) proporciona un aislado, la clase funcional de aislamiento solución de energía que acepta 3,3 V y la convierte a 12V ± utilizando un off-the-shelf TGM-H281NF de Halo ® transformador con una relación de vueltas primaria a secundaria 1:2.6 más externa de un tensión de a bordo-doblador de circuito. Post-regulación se realiza mediante el MAX1659 caída baja (LDO). La solución de alimentación ± 12V aislado es opcional y sólo es necesaria para las aplicaciones que requieren las MAX9632 amplificadores para proporcionar una alta impedancia de entrada o cuando el aislamiento se requiere energía. Si los MAX9632 amplificadores no son necesarios, y luego una sola fuente de 6 V aislado puede alimentar todo el circuito. Aislamiento de datos también es opcional, dependiendo de la aplicación y se logra usando el MAX14850 (U9) Aislador digital de datos. El poder combinado de datos y el aislamiento conseguido es 600 V RMS .
Descripción detallada de Firmware
El diseño de Cupertino 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 Files sección. 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 ™ estándar de código abierto. Custom Cupertino 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 Cupertino.
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
- Cupertino (MAXREFDES5 #) tablero
- Cupertino apoyado por plataforma (es decir, Nexys 3 Kit de desarrollo)
- Industrial sensor o señal de la fuente
Descargar, leer y seguir cuidadosamente cada paso en el Cupertino (MAXREFDES5 #) NEXYS 3 Guía de inicio rápido .
Las mediciones de laboratorio
Equipo utilizado:
- Audio Precision ® fuente SYS-2722 señal o equivalente
- Windows PC con dos puertos USB
- Cupertino (MAXREFDES5 #) tablero
- Nexys 3 kit de desarrollo de
- +12 V de alimentación (para la prueba de potencia externo)
- -12V fuente de alimentación (para pruebas de potencia externo)
Especial cuidado hay que tener el equipo adecuado y debe ser utilizado cuando se prueba el diseño de Cupertino. 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 se presentan a continuación. La señal de entrada se generó utilizando el Precision Audio SYS-2722. La FFT se crearon utilizando el control FFT en SignalLab deSoftware Mitov . Tabla 3 proporciona una referencia rápida para el AC y DC de rendimiento para cada canal, tanto a bordo de alimentación aislada y de alimentación externa se muestra en las figuras 3 a través de 18 .
| Tabla 3. Guía de Referencia Rápida para el AC Performance (FFT) o DC Performance (histogramas) en las figuras 3 a 18 años | ||||
| Canal | Tipo Potencia | Tipo de entrada | Tipo de prueba | Figura N º |
| Canal 0 (AIN0) | A bordo aislado | ± 10V, Alto | AC - FFT | Figura 3 |
| Canal 0 (AIN0) | A bordo aislado | ± 10V, Alto | DC - histograma | Figura 4 |
| Canal 0 (AIN0) | Externo | ± 10V, Alto | AC - FFT | Figura 5 |
| Canal 0 (AIN0) | Externo | ± 10V, Alto | DC - histograma | La figura 6 |
| Canal 1 (EA1) | A bordo aislado | ± 10V, 17kΩ | AC - FFT | Figura 7 |
| Canal 1 (EA1) | A bordo aislado | ± 10V, 17kΩ | DC - histograma | Figura 8 |
| Canal 1 (EA1) | Externo | ± 10V, 17kΩ | AC - FFT | Figura 9 |
| Canal 1 (EA1) | Externo | ± 10V, 17kΩ | DC - histograma | Figura 10 |
| Canal 2 (EA2) | A bordo aislado | 4-20mA, 250Ω | AC - FFT | Figura 11 |
| Canal 2 (EA2) | A bordo Aislado | 4-20mA, 250Ω | DC - histograma | Figura 12 |
| Canal 2 (EA2) | Externo | 4-20mA, 250Ω | AC - FFT | Figura 13 |
| Canal 2 (EA2) | Externo | 4-20mA, 250Ω | DC - histograma | Figura 14 |
| Canal 3 (AIN3) | A bordo aislado | 0 a 10V, 17kΩ | AC - FFT | Figura 15 |
| Canal 3 (AIN3) | A bordo aislado | 0 a 10V, 17kΩ | DC - histograma | Figura 16 |
| Canal 3 (AIN3) | Externo | 0 a 10V, 17kΩ | AC - FFT | Figura 17 |
| Canal 3 (AIN3) | Externo | 0 a 10V, 17kΩ | DC - histograma | Figura 18 |
Figura 3. AC FFT para el canal 0 (AIN0) utilizando energía a bordo aislado, a ± 10 V a 1 kHz seno señal de entrada de onda de alta impedancia de entrada, una frecuencia de muestreo 20ksps, y una ventana de Blackman-Harris.
Figura 4. Histograma DC para el canal 0 (AIN0) utilizando a bordo de alimentación aislada, una señal de entrada de 0 V, de alta impedancia de entrada, una frecuencia de muestreo 20ksps; 65.536 muestras, un código de 7 bits menos significativos se extendió con 97,57% de los códigos que entran en el centro de tres LSBs, y una desviación estándar de 0,693.
Figura 5. AC FFT para el canal 0 (AIN0) con alimentación externa, a ± 10 V a 1 kHz señal de onda sinusoidal de entrada, alta impedancia de entrada, una frecuencia de muestreo 20ksps, y una ventana de Blackman-Harris.
Figura 6. DC histograma para el canal 0 (AIN0) con alimentación externa, una señal de entrada de 0 V, de alta impedancia de entrada, una frecuencia de muestreo 20ksps; 65.536 muestras, un código de 7 bits menos significativos se extendió con 97,74% de los códigos correspondientes a los tres bits menos significativos del centro, y una desviación estándar de 0,692.
Las figuras 7 a 10 : Canal 1 (EA1) (PDF)
Las figuras 11 a 14 : Canal 2 (EA2) (PDF)
Las figuras 15 a 18 : Canal 3 (AIN3) (PDF)
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
PCB CAD (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. 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 marca de servicio registrada de Xilinx, Inc.
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