如何校準(zhǔn)MAX12900 4-20mA變送器

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(lái)調(diào)整環(huán)路電流，可以省去傳統(tǒng)方案中用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC，兩路PWM輸入分別用于粗調(diào)和細(xì)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)16位的電流分辨率，器件內(nèi)部的低溫漂模塊可以確保在整個(gè)工作溫度范圍具有非常低的溫漂，因此利用MAX12900實(shí)現(xiàn)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(tǒng)采用環(huán)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的初始電流無(wú)法確定，另外，外圍元件的選擇也會(huì)影響系統(tǒng)施加電流的精度，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保環(huán)路輸出電流的精度。

PWM發(fā)生器

目前市場(chǎng)上流行的各種處理器都帶有定時(shí)器(計(jì)數(shù)器)可以用來(lái)產(chǎn)生PWM波形輸出，PWM有兩個(gè)重要的參數(shù)：PWM頻率和PWM占空比，定時(shí)器對(duì)輸入的時(shí)鐘信號(hào)(fclk)進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)的頻率，器件內(nèi)部有專門(mén)的寄存器(F_counter)來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)值以確定PWM頻率，同時(shí)還有一個(gè)寄存器(duty_cycle_counter)用來(lái)設(shè)置PWM占空比, 當(dāng)定時(shí)器(計(jì)數(shù)器)值小于duty_cycle_counter設(shè)置值時(shí)，PWM輸出電平保持不變，當(dāng)定時(shí)器(計(jì)數(shù)器)值等于duty_cycle_counter的設(shè)置值時(shí)，PWM輸出電平改變，直到定時(shí)器(計(jì)數(shù)器)值達(dá)到f_counter的設(shè)置值之前，輸出電平保持不變，因此PWM信號(hào)的輸出頻率和PWM占空比可以表示為

      當(dāng)duty_cycle_counter設(shè)置值在0至F_counter之間變化時(shí)，可以產(chǎn)生0%至100%占空比的PWM信號(hào)，當(dāng)占空比為100%時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于PWM信號(hào)高電平的DC電壓。MAX12900內(nèi)部的PWM調(diào)理器將處理器發(fā)送的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平為基準(zhǔn)電壓的PWM信號(hào)，這樣就減輕了對(duì)處理器端PWM信號(hào)電平的要求，然后通過(guò)低通濾波器可以將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的DC電壓值，控制環(huán)路變送器的電流輸出。

PWM輸入轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出

圖1. MAX12900 PWM至DC輸出轉(zhuǎn)換器

      圖1為PWM到直流輸入的轉(zhuǎn)換電路，關(guān)于該電路的工作原理以及公式的推導(dǎo)，請(qǐng)參考MAX12900數(shù)據(jù)手冊(cè)以及MAXREFDES1161#數(shù)據(jù)手冊(cè)，下面用到的公式都可以從MAXREFDES1161#數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

      在圖1中，OP1運(yùn)算放大器和外圍電阻電容構(gòu)成反向低通濾波器，將兩路PWM輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成Voutop1直流輸出， 輸入到R17和R18的PWM信號(hào)高電平為基準(zhǔn)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(jìn)行計(jì)算：

      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(shí)，輸出電壓最小(除上電默認(rèn)狀態(tài)外，在實(shí)際應(yīng)用中不能將PWMA和PWMB同時(shí)設(shè)置為100%)，為了方便說(shuō)明并且和MAX12900評(píng)估板軟件對(duì)應(yīng)起來(lái)，我們可以定義：

這樣，公式就可以寫(xiě)為：

PWM占空比與環(huán)路電流的關(guān)系

      電流環(huán)路原理圖如圖2所示，電流環(huán)路的輸出電流可以用下式來(lái)表示：

      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(xiě)為：

      從該公式可以看出，當(dāng)PWMB的占空比為50%時(shí)，環(huán)路電流是由PWMA來(lái)確定的。由于外部電阻的精度誤差以及放大器的失調(diào)電壓等都會(huì)對(duì)環(huán)路電流的輸出引入誤差，從公式可以看出，能夠調(diào)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(diào)誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的校準(zhǔn)，假設(shè)PWMA的修正后增益為K1，失調(diào)為b1，PWMB的修正后增益為K2，失調(diào)為b2, 那么最終的計(jì)算公式應(yīng)為：

      當(dāng)設(shè)置不同占空比的PWMA和PWMB時(shí)可以得到不同的環(huán)路電流輸出，通過(guò)4個(gè)不同的環(huán)路電流輸出值，就可以計(jì)算出增益和失調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX12900輸出電流進(jìn)行校準(zhǔn)。

      MAX12900 4-20mA變送器的校準(zhǔn)過(guò)程

      接下來(lái)以MAX12900評(píng)估板的設(shè)置來(lái)介紹如何對(duì)MAX12900進(jìn)行校準(zhǔn)，在MAX12900評(píng)估板上采用的處理器系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為3MHz，當(dāng)F_counter設(shè)置為256時(shí)可以產(chǎn)生11.7kHz的PWM信號(hào)，在評(píng)估板進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，分別設(shè)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：

然后代入（7）可得到如下算式：(注意：評(píng)估板上的PWMB對(duì)應(yīng)于本文中的PWMA)

計(jì)算可以得到：K1=0.9968，K2=0.99823，b=0.003527

      這樣就完成了對(duì)MAX12900的校準(zhǔn)。

      如何根據(jù)預(yù)期電流計(jì)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(chǎn)生，PWMA用于粗調(diào)，PWMB用于細(xì)調(diào)，并且當(dāng)PWMB的占空比為50%時(shí)，輸出電流主要是由粗調(diào)來(lái)決定的，因此在計(jì)算粗調(diào)PWMA的占空比時(shí)，將PWMB的占空比先設(shè)置為50%，計(jì)算出粗調(diào)PWMA的占空比，然后根據(jù)計(jì)算出的粗調(diào)PWMA占空比再計(jì)算細(xì)調(diào)PWMB的占空比。計(jì)算PWMA時(shí)，可以根據(jù)式7得到：

對(duì)于當(dāng)前設(shè)計(jì)，設(shè)置PWM計(jì)數(shù)器的值和占空比的關(guān)系如下：

這樣就可以計(jì)算出PWMA計(jì)數(shù)器的設(shè)置值。 然后根據(jù)式7來(lái)計(jì)算細(xì)調(diào)PWMB的占空比：

在式10中，K1，K2和b是校準(zhǔn)得到的，RDuty CycleA是式8計(jì)算得到的。這樣就可以得到細(xì)調(diào)PWMB的占空比，同樣根據(jù)

      就可以計(jì)算出PWMB計(jì)數(shù)器的設(shè)置值，這樣就完成了預(yù)期輸出電流的設(shè)置。

      系統(tǒng)校準(zhǔn)后驗(yàn)證輸出電流

      在對(duì)MAXREFDES1161校準(zhǔn)后，得到相應(yīng)的K1，K2和b。然后根據(jù)預(yù)期輸出電流值用式8和式10分別計(jì)算要施加的PWM占空比，根據(jù)式9和式11得到PWM計(jì)數(shù)器的設(shè)置值，測(cè)試結(jié)果如下：

     從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的MAX12900具有非常高的輸出電流精度。

結(jié)論：

      MAX12900 4-20mA變送器利用通用處理器輸出PWM信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流的控制，可以降低系統(tǒng)的成本，同時(shí)外圍元件的精度對(duì)輸出電流的精度有很大的影響，因此在使用MAX12900時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)具有非常高的輸出電流精度，同時(shí)可以降低對(duì)外圍元件的精度要求。