MAX22005可配置模拟输入实现灵活的工业控制系统

简介

灵活性和快速适应新环境是成功经营企业的最重要特征之一。这种表达适用于工业和制造业类型的企业，从食品加工和纺织品生产商到汽车制造商和火车制造商。

的MAX22005是一种多路工业模拟输入设备，将模拟前端(AFE)与高压保护和测量元件相结合。MAX22005可以配置为12个单端或6个差分输入通道，允许多达26种不同的配置，并将与任何类型的传感器，无论是电压或电流。MAX22005具有一个高性能的24位delta-sigma模数转换器(ADC)，在所有通道之间共享，如图1所示。

本应用说明提供了利用MAX22005的多通道工业输入的高度灵活配置的实际示例，这些配置通常见于应用程序，如可编程逻辑控制器(PLC)、可编程自动化控制器(PAC)或分布式控制系统(DCS)。

MAX22005输入三元组

MAX22005的12个输入通道可以配置为12个单端输入或6个差分对。此外，MAX22005提供了一个独特的组合，将三个连续的输入组合成一个三联组，以获得更大的灵活性。MAX22005总共可以支持四种高度灵活的三联体，使用AI1-AI3、AI4-AI6、AI7-AI9和AI10-AI12的组合。该三联组可接受工业信号电平为0V至±12.5V的单端模拟输入电压模式(AIVM)和±25V的差分AIVM。

带有外部感应电阻RSENSE(通常在50?到250?)，MAX22005接受0mA至±25mA单端和±25mA差分模拟输入电流模式(AICM)转换电流输入为电压输入。整个芯片总共有26种可能的配置。图2显示了三胞胎在MAX22005中的位置。输入端口有多种可能的配置，包括AI1-AI3三元组。

单端输入配置

单端输入配置允许最多使用12个输入端口。MAX22005具有>1G?允许单端配置在AIVM和AICM模式下工作，而不影响测量精度。单端配置如图3所示。

差分输入配置

差分输入允许精确测量，同时忽略导线上的电压降或共模电压，以减少输入通道的数量。MAX22005允许共模范围从0V到±10V。在多功能(又名三元组)配置中，差分输入的总数可达6或8个。AIVM和AICM模式都使用差分输入。差分输入连接的例子如图4所示。图4a中的电压输出传感器可以连接在IN1和IN2之间，也可以连接在IN1和IN3端口之间。

图4b所示为两个差压输出传感器和单个通用电压VCOM的连接。如图4c所示，连接两个具有不同公共电压的差压输出传感器。注意，图4b中计算电压的符号是相反的。

图4中的示例允许固定的AIVM或AICM模式配置，这限制了系统设计的灵活性。MAX22005还允许多功能配置来解决这个问题。

使用三元组的多功能输入配置

多功能配置允许系统通过软件选择AIVM和AICM模式。这是通过SPI命令和GPIO控制的外部通用模拟开关，如MAX14757．这意味着任何电压输出或电流输出传感器都可以连接到PLC或PAC的相同输入端口，而无需重新布线，并且可以使用预先开发的固件与这些传感器一起工作。图5显示了连接到MAX22005的电流输出传感器的示例。图6显示了连接到IN1和IN3输入端口的电压输出传感器。

在图5中，输入电流从传感器流过R_感觉电阻和SW1开关到地。AI1和AI2之间有差异。模拟开关(SW1)的导通电阻(RON)并不显著，因为它不包括在R上测量的压降中_感觉．但是，对于这种应用，建议使用低泄漏开关，如MAX14757或MAX14760。

除了电流测量外，该系统还可以从AI1-AI3差动测量中确定电压和功耗信息。可以使用低成本的n-MOSFET作为开关，例如Nexperia的2N7002NXAK^®．在输入端可能需要一个额外的瞬态电压抑制器(TVS)来保护开关和感应电阻。

在图6中，SW1开关关闭，MAX22005通过AI1-AI3差分测量测量电压信息。

图7显示了辅助两种不同类型传感器的另一种可能性。本例中，电流输出传感器连接在IN1与地之间，电压输出传感器可以连接在IN3与地之间。电流通过AI1-AI2差分输入测量，电压通过AI3单端输入测量。

利用MAX22005和RTD进行温度测量

图8展示了使用电阻式温度探测器(RTD)进行温度测量的实际实现，该探测器利用了MAX22005的一个三元组。在本例中，RTD的激励电流是由使用MAX44250运放和2.49k?精密电阻。

MAX22005的内部电压参考，REF_OUT，提供了一个2.5V的缓冲输出，保持在2.49k?电阻通过RTD和2.49k?电阻。MAX22005最多可连接4个rtd，使用MAX44252四路运算放大器。

RTD电阻可由式1计算，温度可由式2求解Callendar-Van Dusen方程确定。

地点:
V_AI1-AI2为AI1和AI2输入之间测量的差电压。
V_AI1-AI3为AI1和AI3输入之间测量的差压，表示RTD导线上的压降。
V_AI32.49k上的单端电压下降吗?电阻。

R(t) = r0 (1 + a × t + b × t)²−100 × c × t^3.+ c × t⁴）

地点:
R(T) =温度T(°C)下的RTD电阻
R0 = 0°C时的RTD电阻

A, B和C常数由实验确定的参数导出，并由IEC751标准调节。它们也必须由即饮产品制造商提供。

对于Pt100 RTD和电阻温度系数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
对于0°C = T = +850°C, C = 0

结果通过MAX22005 EV试剂盒、MAX44250 EV试剂盒和Fluke进行验证^®724温度校准器用于Pt100 RTD仿真，并如表1所示。

MAX22005的完整实现

图9演示了MAX22005在工业控制系统(如PLC、DSC或PAC)中的实现。它说明了MAX22005能够支持以下组合的多种方式，以及许多其他电流传感器、电压传感器和rtd:

• 四个电流传感器，两根或三根导线
• 四个电压传感器，有两根或三根电线
• 以上场景的多种组合。例如:
• 三个电流传感器+一个电压传感器
• 两个电流传感器+两个电压传感器
• 一个电流传感器+三个电压传感器
• 四个高压
• 在AI5/AI6 (AI11/AI12)上安装两个热电偶(TC)，在AI1、AI2、AI3和AI7、AI8、AI9上安装两个rtd来测量冷结温度

结论

工业级传感器和MAX22005多通道模拟输入之间的连接方案可构建精确且具有成本效益的系统解决方案。MAX22005允许系统工程师开发高度可配置和灵活的工业控制系统，以应对21世纪的挑战。