MAX22000-软件可配置通用模拟量I/O

本应用笔记描述了MAX22000的内部构建模块，可实现软件可配置的通用模拟I/O功能。图中显示了常见工业模拟I/O模式的电路配置。

介绍

MAX22000为软件可配置模拟输入/输出（I/O）器件，适用于过程控制等工业应用和可编程逻辑控制器（PLC）等设备的I/O模块。传统上，控制工程师选择固定功能的I/O卡（模拟输入、模拟输出、电压或电流模式），并根据传感器或执行器的要求硬连线其PLC系统。随着MAX22000等软件可配置器件的推出，现在可以设计I/O模块，允许任何常见的工业I/O功能（模拟电压输入、模拟电流输入、模拟电压输出、模拟电流输出和RTD或热电偶温度测量），这些功能都可以在现场进行软件配置。这种灵活性直接转化为更快的项目安装和调试，使用软件配置通用模块以适应系统 I/O 要求。

本应用笔记中使用的缩略语和缩略语列于附录A中。

MAX22000模拟I/O构建模块

MAX22000的模拟量I/O功能如图1a和图1b所示。图1a给出了定义MAX22000的简化功能模块，图1b是详细说明MAX22000内部功能的详细模块级别。如图1b所示，突出显示的关键模块使系统设计人员能够使用基于MAX22000的单芯片方案实现通用模拟I/O模块。MAX22000集成了具有快速建立时间的18位DAC、多层24位Δ-ΣADC、精密基准电压源、可编程增益放大器（PGA）和高压模拟调理功能。模拟输出可以提供±10V范围内的电压，提供±20mA范围内的电流，测量±10V范围内的电压，或测量±20mA范围内的电流。独立的专用模拟输入测量 ±10V 范围内的电压。另一个差分模拟输入具有专用PGA，提供±12.5V、±2.5V、±500mV、±250mV或±125mV的范围。所选输入的采样范围为1sps至115.2ksps。MAX22000采用SPI接口进行控制，用于所有配置和操作。

图 1a.简化MAX22000模拟量I/O视图

图 1b.MAX22000原理框图

HVDDO/HVSSO 电源是为模拟输出部分供电所必需的。HVDD/HVSS 电源是为器件的模拟输入部分供电所必需的。模拟输入和输出部分各具有不同的电源，因为它使系统设计更简单且更易于配置。例如，读数为 ±12.5V 的模拟输入在 HVDD/HVSS 中使用 ±15V。对于具有典型250O负载的环路变送器应用，可能需要模拟输出部分来产生4mA – 20mA电流。在这种情况下，±8V可能就足够了。

18 位 DAC 和 24 位 ？S ADC由低压DVDD和AVDD供电。与外部控制器的通信接口由DVDD供电，出于安全目的，通常与应用系统中的控制器电气隔离。

通用模拟输入/输出配置和功能

常见的工业模拟I/O配置和信号电平如图2所示，MAX22000的实现方案见表1。

图2.MAX22000模拟输入/输出配置和特性

图3至图10给出了高压模拟I/O端口的不同配置，以及如何利用MAX22000实现这些配置，对应于表1中列出的8种模拟I/O配置。

 

	配置	评论
1	1 个 ACO + 2 个 AI （DE： V/I）	用于模拟电流输出，使用 AI1 和 AI2，通过外部低 ppm、低温度 CO 检测电阻进行电流反馈
2	1 个 ACO + 3 个 AI （2 个 SE： V/I， 1 DE： V/I）	用于模拟电流输出，使用 AI1 和 AI2，通过外部低 ppm、低温度 CO 检测电阻进行电流反馈
3	+24V 现场电源，带 ACI + 1 AI （DE： V/I） + 1AI （SE： V/I）	在 AI1 和 AI2 处具有模拟电流输入（高压侧）的现场电源。使用低 ppm、低温度系数检测电阻器
4	1AVO + 3AI （2 DE： V/I1 SE： V/I）	用于使用AI3进行电压反馈的模拟电压输出。 （AI1、AI2）（仅限模拟电流输入）
5	1AVO + 4AI （3 SE： V/I， 1 DE： V/I）	用于使用AI3进行电压反馈的模拟电压输出
6	通用模拟 I/O 模式	接线端子上的软件可配置模拟输入/输出

 

电流和电压反馈

MAX22000中的18位DAC可配置为模拟电压输出（AVO）或模拟电流输出（ACO）。表 1 中的配置 1、2 和 8 显示了 ACO 模式，其中输入 AI1 和 AI2 与 50？内部检流放大器 （CSA） 两端的检测电阻。该反馈可确保在整个温度范围内精确跟踪不同负载下的电流输出。配置 5、6、7 和 8 使用 AVO 模式，AI3 用作电压反馈，用于精确电压跟踪以保持设定电压输出。

图3显示了AI2上的单个模拟电流输出和AI3、AI4和AI5、AI6上的两个差分电压或电流输入配置通道。绿色突出显示的组件表示电压传感器连接，红色突出显示的组件表示电流模式。放置在差分输入端的典型250O阻性负载代表典型的电流环路连接。

图 3：1 个 ACO + 2 个 AI （DE： V/I）。

图4描绘了AI2端子上的单个模拟电流输出，在AI3和AI5上具有2个单端电压或电流输入配置通道，在AI5、AI6上具有1个通道差分电压或电流输入。绿色突出显示的组件表示电压传感器连接，红色突出显示的组件表示电流模式。在电流模式下，输入 AI3 至 AI6 的典型 250O 阻性负载代表典型的接收器端接电流配置。

图4.1 个 ACO + 3 个 AI （2 SE： V/， 1 DE： V/II）

图5显示了AI3端子具有+24V现场电源的单个模拟电流输入通道，AI4端具有一个通道单端电压或电流输入，AI5、AI6端有一个通道差分输入电压或电流配置。当AI1、AI2配置为模拟输入以处理电流环路中不断变化的负载时，MAX22000 DAC能够提供0mA –20mA输出电流。当电流环路传感器由环路供电且没有外部+24V现场电源时，通常首选此模式。

图5.+24V 现场电源，带 ACI + 1 AI （DE： V/I） + 1AI （SE： V/I）。

绿色突出显示的组件表示电压传感器连接，红色突出显示的组件表示电流模式。在电流模式下，AI5至AI6上的典型250O阻性负载表示典型电流环路连接的电流输入测量值。AI4至GND的典型250O阻性负载代表典型接收器端接电流配置的电流输入测量值。

AI3的电压反馈信号确保DAC提供稳定的电源，并且来自+24V现场电源的高压侧测量来自AI1和AI2的电流。

图6显示了AI3处的单个模拟电压输出通道，AI1、AI2和AI5、AI6处的两个差分电流输入通道，以及AI4处的一个通道单端电压或电流输入配置。AI1 和 AI2 是 50O 检测电阻两端的差分输入，用于将最大差分电压限制在 ±1.25V。AI5 和 AI6 支持电压/电流输入的差分输入测量。

图6.1AVO + 2AI （DE： V/I） + 1AI （SE： V/I）.

绿色突出显示的组件表示电压传感器连接，红色突出显示的组件表示电流模式。在电流模式下，AI5 和 AI6 上的典型 250O 阻性负载代表典型电流环路配置的电流输入测量值。

图7显示了AI3上的单个模拟电压输出通道和AI5、AI6上的三个单端电压或电流输入配置通道（AI1、AI2、AI4）和1个差分电压或电流输入通道。绿色突出显示的组件表示电压传感器连接，红色突出显示的组件表示电流模式。电流模式下 AI1 至 AI6 至 GND 的典型 250O 阻性负载表示典型接收器端接电流环路配置的电流输入测量值。

图7.1AVO + 4AI （3SE： V/I， 1DE： V/I）.

图8所示为MAX22000连接通用模拟I/O模式，包括输入或输出、电压或电流，以及RTD或热电偶测得的温度。

图 8：通用模拟输入/输出模式。

DAC输出设置为电流或电压输出，AI5、AI6差分输入共用相同的接线端子，通过软件配置，可以在同一端子上实现真正的通用模拟输入/输出。

使用RTD或热电偶元件进行温度测量：

如图10所示，2线、3线和4线RTD测量通过通用模式实现。使用热电偶时，冷结补偿在低压端口AUX1和AUX2输入端实现。低压 （±2.5V） 端口没有高压保护，不得与更高电压的场信号一起使用。AUX1 和 AUX2 可在冷端补偿的情况下单独使用，也可以灵活地用于其他板载诊断测量。

MAX22000的应用示例

应用1：MAXREFDES200# - Go-IO工厂自动化卡

Go-IO 是一种工业物联网 （IoT） 参考设计，专为可配置工业控制系统的快速原型设计和开发而设计。Go-IO 是板的组合;MAXREFDES215# 是带有 I/O 连接器的载板，MAXREFDES211# 是应用处理器板。MAXREFDES200# 是一款 I/O 卡，设计用于工厂自动化应用中常见的模拟和数字 I/O。该 I/O 卡插入载卡，由应用处理器板控制。

MAXREFDES200#使用四种类型的MAX22000模拟/I/O。I/O 引脚 AO1+ 是通用模拟 I/O （UAIO），这意味着可以使用软件将其配置为输入（电压或电流模式）或输出（电压或电流模式）。AO1+ 能够支持 ±12.5V 或 ±25mA 的输入和输出范围，具体取决于软件配置，无需更改硬件。这可通过MAX22000引脚用于DAC（AOP和AON）、ADC输入（A1和A2）用于电流检测放大器（CSA）和ADC输入（A3）用于电压检测放大器来实现。

除 UAIO 端口外，其他 ADC 输入也连接到 MAXREFDES215# 上的 I/O 连接器。输入AI1+和AI1-连接到MAX22000上的ADC输入A5和A6。MAX22000中的可编程增益放大器（PGA）可设置为不同的输入电压范围，工作范围为±12.5V、±2.5V、±500mV、±250mV和±125mV。输入 AI2+ 连接到 ADC 输入 AI4，电压范围为 ±12.5V。输入 AI3+ 连接到 ADC 输入 AI1。

图9.The MAXREFDES200#.

应用 2：MAXREFDES177#：IO-Link 通用模拟 I/O 参考设计

MAXREFDES177有助于MAX22000在实际工业传感器和执行器应用中的快速原型设计和评估。采用MAX22515 IO-Link收发器，模拟I/O侧和IO-Link接口侧完全隔离。

模拟端口支持：

电压输出 ±10V （±12.5V）

电流输出 ±20mA （±25mA）

电压输入 ±10V （±12.5V）

电流输入 ±20mA （±25mA）

图 10.MAXREFDES177# 通用模拟量 I/O。

总结

MAX2200的特性和可配置性为设计可配置的I/O模块提供了很大的自由度。采用MAX22000的系统不再受固定功能的限制，如输入或输出、电压或电流。它是真正具有完整软件可配置性的通用模拟I/O。 具有18位DAC和24位的内部模块？S ADC模块使用户能够在-40°C至+125°C温度范围内获得（低于）< ±0.1%FSR性能。

审核编辑：郭婷