如何校準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)調整環(huán)路電流，可以省去傳統方案中用于設置環(huán)路電流的DAC，兩路PWM輸入分別用于粗調和細調，可以實(shí)現高達16位的電流分辨率，器件內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 )導致系統的初始電流無(wú)法確定，另外，外圍元件的選擇也會(huì )影響系統施加電流的精度，因此，在系統設計調試完成后，需要對系統進(jìn)行校準，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(計數器)可以用來(lái)產(chǎn)生PWM波形輸出，PWM有兩個(gè)重要的參數：PWM頻率和PWM占空比，定時(shí)器對輸入的時(shí)鐘信號(fclk)進(jìn)行計數來(lái)產(chǎn)生PWM信號的頻率，器件內部有專(zhuān)門(mén)的寄存器(F_counter)來(lái)設置計數值以確定PWM頻率，同時(shí)還有一個(gè)寄存器(duty_cycle_counter)用來(lái)設置PWM占空比, 當定時(shí)器(計數器)值小于duty_cycle_counter設置值時(shí)，PWM輸出電平保持不變，當定時(shí)器(計數器)值等于duty_cycle_counter的設置值時(shí)，PWM輸出電平改變，直到定時(shí)器(計數器)值達到f_counter的設置值之前，輸出電平保持不變，因此PWM信號的輸出頻率和PWM占空比可以表示為

      當duty_cycle_counter設置值在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，當占空比為100%時(shí)，將產(chǎn)生對應于PWM信號高電平的DC電壓。MAX12900內部的PWM調理器將處理器發(fā)送的PWM信號轉換成高電平為基準電壓的PWM信號，這樣就減輕了對處理器端PWM信號電平的要求，然后通過(guò)低通濾波器可以將PWM信號轉換成對應的DC電壓值，控制環(huán)路變送器的電流輸出。

PWM輸入轉換成直流電壓輸出

圖1. MAX12900 PWM至DC輸出轉換器

      圖1為PWM到直流輸入的轉換電路，關(guān)于該電路的工作原理以及公式的推導，請參考MAX12900數據手冊以及MAXREFDES1161#數據手冊，下面用到的公式都可以從MAXREFDES1161#數據手冊中找到。

      在圖1中，OP1運算放大器和外圍電阻電容構成反向低通濾波器，將兩路PWM輸入信號轉換成Voutop1直流輸出， 輸入到R17和R18的PWM信號高電平為基準電壓，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(除上電默認狀態(tài)外，在實(shí)際應用中不能將PWMA和PWMB同時(shí)設置為100%)，為了方便說(shuō)明并且和MAX12900評估板軟件對應起來(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電壓等都會(huì )對環(huán)路電流的輸出引入誤差，從公式可以看出，能夠調整的只有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誤差來(lái)實(shí)現對輸出電流的校準，假設PWMA的修正后增益為K1，失調為b1，PWMB的修正后增益為K2，失調為b2, 那么最終的計算公式應為：

      當設置不同占空比的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，就可以計算出增益和失調，實(shí)現對MAX12900輸出電流進(jìn)行校準。

      MAX12900 4-20mA變送器的校準過(guò)程

      接下來(lái)以MAX12900評估板的設置來(lái)介紹如何對MAX12900進(jìn)行校準，在MAX12900評估板上采用的處理器系統時(shí)鐘頻率為3MHz，當F_counter設置為256時(shí)可以產(chǎn)生11.7kHz的PWM信號，在評估板進(jìn)行校準時(shí)，為簡(jiǎn)化計算，分別設置了兩組相同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：評估板上的PWMB對應于本文中的PWMA)

計算可以得到：K1=0.9968，K2=0.99823，b=0.003527

      這樣就完成了對MAX12900的校準。

      如何根據預期電流計算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，PWMB用于細調，并且當PWMB的占空比為50%時(shí)，輸出電流主要是由粗調來(lái)決定的，因此在計算粗調PWMA的占空比時(shí)，將PWMB的占空比先設置為50%，計算出粗調PWMA的占空比，然后根據計算出的粗調PWMA占空比再計算細調PWMB的占空比。計算PWMA時(shí)，可以根據式7得到：

對于當前設計，設置PWM計數器的值和占空比的關(guān)系如下：

這樣就可以計算出PWMA計數器的設置值。 然后根據式7來(lái)計算細調PWMB的占空比：

在式10中，K1，K2和b是校準得到的，RDuty CycleA是式8計算得到的。這樣就可以得到細調PWMB的占空比，同樣根據

      就可以計算出PWMB計數器的設置值，這樣就完成了預期輸出電流的設置。

      系統校準后驗證輸出電流

      在對MAXREFDES1161校準后，得到相應的K1，K2和b。然后根據預期輸出電流值用式8和式10分別計算要施加的PWM占空比，根據式9和式11得到PWM計數器的設置值，測試結果如下：

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

結論：

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