探索Fresno（MAXREFDES11#）：16位高精度隔离模拟前端设计

在工业控制和自动化领域，对高精度、高电压模拟前端（AFE）的需求日益增长。传统的低分辨率、低输入电压模数转换器（ADC）已难以满足这些应用的要求。今天，我们就来深入了解一下Maxim Integrated推出的Fresno（MAXREFDES11#）子系统参考设计，看看它是如何应对这些挑战的。

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一、Fresno设计概述

Fresno（MAXREFDES11#）是一款16位高精度工业模拟前端，能够接受0至10V的信号，并且具备隔离电源和数据的特性，同时集成在一个小尺寸的印刷电路板（PCB）上。它主要针对工业传感器、工业自动化、过程控制、可编程逻辑控制器（PLC）以及医疗应用等领域。

1.1 设计背景

如今，许多现场可编程门阵列（FPGA）和微控制器中集成的ADC分辨率和输入电压较低，无法满足工业控制和自动化应用对更高分辨率和更高输入电压的需求。Fresno设计的出现，正好填补了这一空白。

1.2 主要特性

• 高精度：能够实现精确的模数转换。
• 0至10V输入范围：适应多种工业信号。
• 隔离电源和数据：提高系统的抗干扰能力。
• 小PCB面积：便于集成到各种设备中。
• 设备驱动和示例C源代码：方便开发者进行开发。
• Pmod™兼容外形尺寸：增加了设计的灵活性。

二、硬件详细描述

2.1 电源选项

Fresno子系统参考设计提供了两种电源选项：板载隔离电源和外部电源。具体的电源要求和跳线设置如下表所示：	电源类型	跳线分流	输入电压（V）	输入电流（mA，典型值）
板载隔离电源	JU1: 1–2 JU2: 2–3 JU3: 1–2	3.3	71
外部电源	JU1: 2–3 JU2: 1–2 JU3: 2–3	6 -5	10 2

2.2 硬件组成及工作原理

• 信号调理：MAX44250运算放大器输入电路将0至10V的信号进行衰减和缓冲，使其匹配ADC（MAX11100）的输入范围（0至4.096V）。
• ADC转换：MAX11100是一款16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有AutoShutdown™和快速1.1µs唤醒功能。其参考输入由超高精度的4.096V电压基准MAX6126驱动，初始精度为0.02%，最大温度系数为3ppm/°C。
• 电源隔离：MAX256提供隔离的功能绝缘类电源解决方案，将3.3V转换为±6V，再通过MAX1659和MAX1735进行后调节，分别提供+5V和 -3V的电源。
• 数据隔离：MAX14850数字数据隔离器实现数据隔离，综合电源和数据隔离达到600VRMS。

2.3 输入阻抗

Fresno子系统的信号输入阻抗为5kΩ（R19 + R20）。在选择输入电阻值时，需要考虑到电阻值过大会引入更高的热噪声，从而影响噪声性能。因此，输入电阻R19和R20的值应根据具体应用进行选择，并且当选择不同的值将0V信号衰减到4V信号时，满足(R 19 = 1.5 × R 20)。

三、固件详细描述

3.1 Nexys 3平台固件

Fresno固件最初是为Nexys 3开发套件发布的，目标是Xilinx® Spartan - 6 FPGA内的Microblaze™软核微控制器。固件采用C语言编写，基于Xilinx SDK工具（基于Eclipse™开源标准）。通过利用标准的Xilinx XSpi核心版本3.03a创建了特定于Fresno的设计函数，SPI时钟频率设置为3.125MHz。该固件可以接受命令、写入状态，并能够通过虚拟COM端口将采样数据块下载到标准终端程序。

3.2 ZedBoard平台固件

Fresno固件也针对ZedBoard套件进行了开发和测试，目标是Xilinx Zynq片上系统（SoC）内的ARM® Cortex® A9处理器。为了优化采样率和SPI时序稳定性，创建了AXI MAX11100自定义IP核。当选择189.4ksps采样率时，SPI时钟频率设置为4.54MHz；对于其他采样率，SPI时钟频率设置为2.5MHz。同样，该固件也能接受命令、写入状态，并可将采样数据块下载到标准终端程序。

四、快速启动与实验室测量

4.1 快速启动

要启动Fresno设计，需要准备以下设备：

• 具有两个USB端口的Windows® PC
• Fresno（MAXREFDES11#）板
• 支持Fresno的平台（如Nexys 3开发套件或ZedBoard套件）
• 工业传感器或信号源

开发者需要下载、阅读并仔细遵循相应的Fresno快速启动指南。

4.2 实验室测量

在测试Fresno设计时，需要使用高精度的信号源和测量设备，如Audio Precision® SYS - 2722信号源或等效设备、电压校准器DVC - 8500等。通过实验室测量，得到了板载隔离电源和外部电源的AC和DC性能，具体表现为FFT和直方图。这些测量结果有助于评估Fresno设计在不同电源条件下的性能。

五、设计文件与相关部件

5.1 设计文件

可以下载所有的设计文件，包括硬件文件（原理图、物料清单、PCB布局、PCB Gerber、PCB CAD等）和固件文件（Nexys 3平台和ZedBoard平台）。

5.2 相关部件

Fresno设计中使用的相关部件包括MAX11100、MAX14850、MAX1659、MAX1735、MAX256、MAX44250、MAX6126等，部分部件还提供免费样品。

六、总结

Fresno（MAXREFDES11#）子系统参考设计为工业控制和自动化应用提供了一种高精度、高电压的模拟前端解决方案。其集成的隔离电源和数据功能，以及小尺寸的设计，使其在工业传感器、PLC和医疗等领域具有广泛的应用前景。通过详细的硬件和固件设计文件，开发者可以快速上手并进行定制开发。你在实际应用中是否遇到过类似的高精度模拟前端设计需求呢？你觉得Fresno设计能否满足你的项目要求？欢迎在评论区分享你的看法。