探索Fresno（MAXREFDES11#）：16位高精度隔離模擬前端設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域，對(duì)高精度、高電壓模擬前端（AFE）的需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的低分辨率、低輸入電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）已難以滿足這些應(yīng)用的要求。今天，我們就來(lái)深入了解一下Maxim Integrated推出的Fresno（MAXREFDES11#）子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，看看它是如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。

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一、Fresno設(shè)計(jì)概述

Fresno（MAXREFDES11#）是一款16位高精度工業(yè)模擬前端，能夠接受0至10V的信號(hào)，并且具備隔離電源和數(shù)據(jù)的特性，同時(shí)集成在一個(gè)小尺寸的印刷電路板（PCB）上。它主要針對(duì)工業(yè)傳感器、工業(yè)自動(dòng)化、過(guò)程控制、可編程邏輯控制器（PLC）以及醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域。

1.1 設(shè)計(jì)背景

如今，許多現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和微控制器中集成的ADC分辨率和輸入電壓較低，無(wú)法滿足工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)更高分辨率和更高輸入電壓的需求。Fresno設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，正好填補(bǔ)了這一空白。

1.2 主要特性

• 高精度：能夠?qū)崿F(xiàn)精確的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
• 0至10V輸入范圍：適應(yīng)多種工業(yè)信號(hào)。
• 隔離電源和數(shù)據(jù)：提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
• 小PCB面積：便于集成到各種設(shè)備中。
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)和示例C源代碼：方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
• Pmod?兼容外形尺寸：增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

二、硬件詳細(xì)描述

2.1 電源選項(xiàng)

2.2 硬件組成及工作原理

• 信號(hào)調(diào)理：MAX44250運(yùn)算放大器輸入電路將0至10V的信號(hào)進(jìn)行衰減和緩沖，使其匹配ADC（MAX11100）的輸入范圍（0至4.096V）。
• ADC轉(zhuǎn)換：MAX11100是一款16位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有AutoShutdown?和快速1.1μs喚醒功能。其參考輸入由超高精度的4.096V電壓基準(zhǔn)MAX6126驅(qū)動(dòng)，初始精度為0.02%，最大溫度系數(shù)為3ppm/°C。
• 電源隔離：MAX256提供隔離的功能絕緣類電源解決方案，將3.3V轉(zhuǎn)換為±6V，再通過(guò)MAX1659和MAX1735進(jìn)行后調(diào)節(jié)，分別提供+5V和 -3V的電源。
• 數(shù)據(jù)隔離：MAX14850數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)隔離器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，綜合電源和數(shù)據(jù)隔離達(dá)到600VRMS。

2.3 輸入阻抗

Fresno子系統(tǒng)的信號(hào)輸入阻抗為5kΩ（R19 + R20）。在選擇輸入電阻值時(shí)，需要考慮到電阻值過(guò)大會(huì)引入更高的熱噪聲，從而影響噪聲性能。因此，輸入電阻R19和R20的值應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇，并且當(dāng)選擇不同的值將0V信號(hào)衰減到4V信號(hào)時(shí)，滿足(R 19 = 1.5 × R 20)。

三、固件詳細(xì)描述

3.1 Nexys 3平臺(tái)固件

Fresno固件最初是為Nexys 3開(kāi)發(fā)套件發(fā)布的，目標(biāo)是Xilinx? Spartan - 6 FPGA內(nèi)的Microblaze?軟核微控制器。固件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，基于Xilinx SDK工具（基于Eclipse?開(kāi)源標(biāo)準(zhǔn)）。通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)的Xilinx XSpi核心版本3.03a創(chuàng)建了特定于Fresno的設(shè)計(jì)函數(shù)，SPI時(shí)鐘頻率設(shè)置為3.125MHz。該固件可以接受命令、寫(xiě)入狀態(tài)，并能夠通過(guò)虛擬COM端口將采樣數(shù)據(jù)塊下載到標(biāo)準(zhǔn)終端程序。

3.2 ZedBoard平臺(tái)固件

Fresno固件也針對(duì)ZedBoard套件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和測(cè)試，目標(biāo)是Xilinx Zynq片上系統(tǒng)（SoC）內(nèi)的ARM? Cortex? A9處理器。為了優(yōu)化采樣率和SPI時(shí)序穩(wěn)定性，創(chuàng)建了AXI MAX11100自定義IP核。當(dāng)選擇189.4ksps采樣率時(shí)，SPI時(shí)鐘頻率設(shè)置為4.54MHz；對(duì)于其他采樣率，SPI時(shí)鐘頻率設(shè)置為2.5MHz。同樣，該固件也能接受命令、寫(xiě)入狀態(tài)，并可將采樣數(shù)據(jù)塊下載到標(biāo)準(zhǔn)終端程序。

四、快速啟動(dòng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

4.1 快速啟動(dòng)

要啟動(dòng)Fresno設(shè)計(jì)，需要準(zhǔn)備以下設(shè)備：

• 具有兩個(gè)USB端口的Windows? PC
• Fresno（MAXREFDES11#）板
• 支持Fresno的平臺(tái)（如Nexys 3開(kāi)發(fā)套件或ZedBoard套件）
• 工業(yè)傳感器或信號(hào)源

開(kāi)發(fā)者需要下載、閱讀并仔細(xì)遵循相應(yīng)的Fresno快速啟動(dòng)指南。

4.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

在測(cè)試Fresno設(shè)計(jì)時(shí)，需要使用高精度的信號(hào)源和測(cè)量設(shè)備，如Audio Precision? SYS - 2722信號(hào)源或等效設(shè)備、電壓校準(zhǔn)器DVC - 8500等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，得到了板載隔離電源和外部電源的AC和DC性能，具體表現(xiàn)為FFT和直方圖。這些測(cè)量結(jié)果有助于評(píng)估Fresno設(shè)計(jì)在不同電源條件下的性能。

五、設(shè)計(jì)文件與相關(guān)部件

5.1 設(shè)計(jì)文件

可以下載所有的設(shè)計(jì)文件，包括硬件文件（原理圖、物料清單、PCB布局、PCB Gerber、PCB CAD等）和固件文件（Nexys 3平臺(tái)和ZedBoard平臺(tái)）。

5.2 相關(guān)部件

Fresno設(shè)計(jì)中使用的相關(guān)部件包括MAX11100、MAX14850、MAX1659、MAX1735、MAX256、MAX44250、MAX6126等，部分部件還提供免費(fèi)樣品。

六、總結(jié)

Fresno（MAXREFDES11#）子系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)為工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用提供了一種高精度、高電壓的模擬前端解決方案。其集成的隔離電源和數(shù)據(jù)功能，以及小尺寸的設(shè)計(jì)，使其在工業(yè)傳感器、PLC和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)詳細(xì)的硬件和固件設(shè)計(jì)文件，開(kāi)發(fā)者可以快速上手并進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的高精度模擬前端設(shè)計(jì)需求呢？你覺(jué)得Fresno設(shè)計(jì)能否滿足你的項(xiàng)目要求？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法。