16位高精度4-20mA输入隔离模拟前端(AFE)

　　引言

　　在工业控制和工业自动化应用中，通常需要高分辨率数据转换器。虽然今天的现场可编程门阵列（FPGA）和微控制器内部集成了数/模转换器（ADC），但在多数情况下，ADC的分辨率不高，也缺乏足够的隔离。Campbell子系统参考设计（MAXREFDES4#）为16位高精度工业模拟前端（AFE），可接收一路4-20mA电流环或一路0.2V至4.096V的电压输入信号，提供隔离电源和完整的数据采集小型化设计。Campbell设计包括高精度低噪声缓冲器（MAX44250）、高精度ADC （MAX11100）、超高精度4.096V电压基准（MAX6126）、600VRMS数据隔离器（MAX14850），以及隔离的5V电源（MAX256/MAX1659）。这个AFE方案可以用于任何高精度模/数转换场合，但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）和医学应用。

　　

　　图1. Campbell子系统设计框图

　　硬件详细说明　　

　　3.3V和5V两种模块均提供Pmod引脚排列和其它引脚排列。该模块为3.3V供电版本，其SPI引脚排列如下图所示。

　　供电要求如表1所示，当前支持的平台及其端口见表2。

　　Campbell子系统非常适合高精度4-20mA电流环或0.2V - 4.096V输入范围的数据采集系统。硬件设计同时提供电源隔离（MAX256）和数据隔离（MAX14850）。

　　MAX44250运放（U1）输入电路通过一个200 Ω负载电阻将4–20mA电流环转换成电压（JU2闭合）或连接0.2V- 4.096V （JU2开路）电压信号。

　　MAX11100 （U2）为16位逐次逼近（SAR） ADC，具有AutoShutdown™1.1µs快速唤醒功能。ADC基准输入由MAX6126超高精度4.096V电压基准（U3）驱动，具有0.02%初始精度和3ppm/°C最大温漂系数。

　　MAX256 （U4）提供隔离电源方案，利用现成的TGM-H281NF Halo®变压器，主副边匝数比为1:2.6，配合板上倍压电路将3.3V转换成12V输出。利用MAX1659 低压差稳压器实现后续稳压（U5用于12V输出、U6用于5V模拟电源输出、U8用于5V数字供电电源输出）。数据隔离采用MAX14850 （U5）数字数据隔离器完成，电源和数据隔离可达600V RMS。

　　需要使用板上隔离电源时，将跳线JU3的1–2位置短接，跳线JU4的2–3位置短接。如果不需要板上隔离电源，可以采用外部12V直流电源。将跳线 JU3的2–3位置短接，跳线JU4的1–2 位置短接。连接外部电源的地到GND2接头，连接12V直流电源到EXT_V接头。跳线设置和输入电流需求如表1所示。