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如何校準MAX12900 4-20mA變送器

作者:高峰,Maxim Integrated首席應用工程師時間:2019-05-24來源:電子產品世界收藏

MAX12900是一款超低功耗,高集成度的4-20mA傳感器變送器,該器件采用PWM輸入來調整環路電流,可以省去傳統方案中用于設置環路電流的DAC,兩路PWM輸入分別用于粗調和細調,可以實現高達16位的電流分辨率,器件內部的低溫漂模塊可以確保在整個工作溫度范圍具有非常低的溫漂,因此利用MAX12900實現的解決方案具有超高的電流輸出精度以及超低的溫度飄移。由于系統采用環路供電,MAX12900的片上LDO還可以為外部的低功耗處理器供電,這樣就會導致系統的初始電流無法確定,另外,外圍元件的選擇也會影響系統施加電流的精度,因此,在系統設計調試完成后,需要對系統進行校準,以確保環路輸出電流的精度。

本文引用地址:http://www.aejfsk.live/article/201905/400830.htm

PWM發生器

目前市場上流行的各種處理器都帶有定時器(計數器)可以用來產生PWM波形輸出,PWM有兩個重要的參數:PWM頻率和PWM占空比,定時器對輸入的時鐘信號(fclk)進行計數來產生PWM信號的頻率,器件內部有專門的寄存器(F_counter)來設置計數值以確定PWM頻率,同時還有一個寄存器(duty_cycle_counter)用來設置PWM占空比, 當定時器(計數器)值小于duty_cycle_counter設置值時,PWM輸出電平保持不變,當定時器(計數器)值等于duty_cycle_counter的設置值時,PWM輸出電平改變,直到定時器(計數器)值達到f_counter的設置值之前,輸出電平保持不變,因此PWM信號的輸出頻率和PWM占空比可以表示為

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      當duty_cycle_counter設置值在0至F_counter之間變化時,可以產生0%至100%占空比的PWM信號,當占空比為100%時,將產生對應于PWM信號高電平的DC電壓。MAX12900內部的PWM調理器將處理器發送的PWM信號轉換成高電平為基準電壓的PWM信號,這樣就減輕了對處理器端PWM信號電平的要求,然后通過低通濾波器可以將PWM信號轉換成對應的DC電壓值,控制環路變送器的電流輸出。

PWM輸入轉換成直流電壓輸出

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圖1. MAX12900 PWM至DC輸出轉換器

      圖1為PWM到直流輸入的轉換電路,關于該電路的工作原理以及公式的推導,請參考MAX12900數據手冊以及MAXREFDES1161#數據手冊,下面用到的公式都可以從MAXREFDES1161#數據手冊中找到。

      在圖1中,OP1運算放大器和外圍電阻電容構成反向低通濾波器,將兩路PWM輸入信號轉換成Voutop1直流輸出, 輸入到R17和R18的PWM信號高電平為基準電壓,低電平為0,按照MAXREFDES1161#中選擇的電阻值(R17=R15=22.6k?,R18=1.5M?,R13=R14=294k?),在不考慮電阻誤差的情況下,Voutop1的電壓值可以按照下面的公式進行計算:

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      這里,DutyCycleA 和DutyCycleB分別為輸入的PWM占空比,由于濾波器為反向低通濾波器,所以在占空比為100%時,輸出電壓最小(除上電默認狀態外,在實際應用中不能將PWMA和PWMB同時設置為100%),為了方便說明并且和MAX12900評估板軟件對應起來,我們可以定義:

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這樣,公式就可以寫為:

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PWM占空比與環路電流的關系

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      電流環路原理圖如圖2所示,電流環路的輸出電流可以用下式來表示:

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      同樣,在不考慮電阻誤差的情況下,利用MAXREFDES1161#中選擇的電阻值      (R24=100k?,R12=1M?,R9=24.9k?,R6=24.9?),該公式可以寫為:

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      從該公式可以看出,當PWMB的占空比為50%時,環路電流是由PWMA來確定的。由于外部電阻的精度誤差以及放大器的失調電壓等都會對環路電流的輸出引入誤差,從公式可以看出,能夠調整的只有PWMA和PWMB的占空比,因此可以修正PWMA和PWMB占空比的增益誤差和失調誤差來實現對輸出電流的校準,假設PWMA的修正后增益為K1,失調為b1,PWMB的修正后增益為K2,失調為b2, 那么最終的計算公式應為:

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      當設置不同占空比的PWMA和PWMB時可以得到不同的環路電流輸出,通過4個不同的環路電流輸出值,就可以計算出增益和失調,實現對MAX12900輸出電流進行校準。

      MAX12900 4-20mA變送器的校準過程

      接下來以MAX12900評估板的設置來介紹如何對MAX12900進行校準,在MAX12900評估板上采用的處理器系統時鐘頻率為3MHz,當F_counter設置為256時可以產生11.7kHz的PWM信號,在評估板進行校準時,為簡化計算,分別設置了兩組相同PWMA占空比和兩組相同PWMB占空比的電流輸出,如下圖所示:

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然后代入(7)可得到如下算式:(注意:評估板上的PWMB對應于本文中的PWMA)

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計算可以得到:K1=0.9968,K2=0.99823,b=0.003527

      這樣就完成了對MAX12900的校準。

      如何根據預期電流計算PWM占空比

      從上面的式7 可以看出,輸出電流是由PWMA和PWMB共同控制產生,PWMA用于粗調,PWMB用于細調,并且當PWMB的占空比為50%時,輸出電流主要是由粗調來決定的,因此在計算粗調PWMA的占空比時,將PWMB的占空比先設置為50%,計算出粗調PWMA的占空比,然后根據計算出的粗調PWMA占空比再計算細調PWMB的占空比。計算PWMA時,可以根據式7得到:

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對于當前設計,設置PWM計數器的值和占空比的關系如下:

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這樣就可以計算出PWMA計數器的設置值。 然后根據式7來計算細調PWMB的占空比:

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在式10中,K1,K2和b是校準得到的,RDuty CycleA是式8計算得到的。這樣就可以得到細調PWMB的占空比,同樣根據

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      就可以計算出PWMB計數器的設置值,這樣就完成了預期輸出電流的設置。

      系統校準后驗證輸出電流

      在對MAXREFDES1161校準后,得到相應的K1,K2和b。然后根據預期輸出電流值用式8和式10分別計算要施加的PWM占空比,根據式9和式11得到PWM計數器的設置值,測試結果如下:

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     從以上測試結果可以看出,經過校準后的MAX12900具有非常高的輸出電流精度。

結論:

      MAX12900 4-20mA變送器利用通用處理器輸出PWM信號來實現輸出電流的控制,可以降低系統的成本,同時外圍元件的精度對輸出電流的精度有很大的影響,因此在使用MAX12900時需要對其進行系統校準,校準后的系統具有非常高的輸出電流精度,同時可以降低對外圍元件的精度要求。




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