本應用筆記提供信息，幫助系統工程師利用MAX22005開發極其精密、高度可配置、多通道的工業模擬輸入前端。

介紹

靈活性和快速適應新條件是成功經營企業的最重要特征之一。這種表達方式適用于從食品加工和紡織品生產商到汽車制造商和火車制造商的工業和制造業類型的企業。

MAX22005為多通道、工業模擬輸入器件，將模擬前端（AFE）與高壓保護和測量元件相結合。MAX22005可配置為12個單端或6個差分輸入通道，允許多達26種不同的配置，可與任何類型的傳感器（電壓或電流）配合使用。MAX22005具有高性能、24位Δ-Σ模數轉換器（ADC），在所有通道之間共享，如圖1所示。

圖1.MAX22005功能框圖

本應用筆記提供了利用MAX22005高度靈活的多通道工業輸入配置的實際示例，這些輸入通常用于可編程邏輯控制器（PLC）、可編程自動化控制器（PAC）或分布式控制系統（DCS）。

MAX22005輸入三路

MAX22005的12個輸入通道可配置為12個單端輸入或6個差分對。此外，MAX22005提供三個連續輸入的獨特組合，組合成一個三路，具有更大的靈活性。MAX22005可支持總共四個高度靈活的三元組，采用AI1–AI3、AI4–AI6、AI7–AI9和AI10–AI12的組合。對于單端模擬輸入電壓模式 （AIVM），三元組接受 0V 至 ±12.5V 的工業信號電平，對于差分 AIVM，三元組接受 ±25V 的工業信號電平。

MAX22005采用外部檢測電阻RSENSE（典型范圍為50？至250？），接受0mA至±25mA的單端電流和±25mA的差分模擬輸入電流模式（AICM），將電流輸入轉換為電壓輸入。整個芯片共有 26 種可能的配置可用。圖2所示為MAX22005中的三重器件位置。輸入端口有多種可能的配置，包括 AI1-AI3 三元組。

圖2.MAX22005輸入端口三元組

單端輸入配置

單端輸入配置允許最多使用12個輸入端口。MAX22005具有>1G的高阻輸入。這允許單端配置同時適用于 AIVM 和 AICM 模式，而不會影響測量精度。單端配置如圖3所示。

圖3.單端輸入配置。

差分輸入配置

差分輸入允許精確測量，同時忽略導線上的壓降或共模電壓，從而減少輸入通道的數量。MAX22005允許0V至±10V的共模范圍。在多功能（又名三重）配置中，差分輸入的總數多達六個或八個。差分輸入用于 AIVM 和 AICM 模式。差分輸入連接示例如圖4所示。圖4a中的電壓輸出傳感器可以連接在IN1和IN2之間，也可以連接在IN1和IN3端口之間。

與兩個差分電壓輸出傳感器和單個公共電壓VCOM的連接如圖4b所示。與兩個具有不同公共電壓的差分電壓輸出傳感器的連接如圖4c所示。請注意，圖4b中計算電壓的符號是相反的。

圖 4a、b、c. MAX22005 AIVM 模式差分連接。

圖 4 中的示例允許固定 AIVM 或 AICM 模式配置，這限制了系統設計的靈活性。MAX22005還允許多功能配置來解決這個問題。

使用三元組的多功能輸入配置

多功能配置允許系統使用軟件在AIVM和AICM模式之間進行選擇。這是通過SPI命令和GPIO控制外部通用模擬開關（如MAX14757）完成的。這意味著任何電壓輸出或電流輸出傳感器都可以連接到PLC或PAC的同一輸入端口，而無需重新布線，并且可以使用預先開發的固件與這些傳感器一起工作。圖5所示為連接到MAX22005的電流輸出傳感器示例。圖 6 顯示了連接到 IN1 和 IN3 輸入端口的電壓輸出傳感器。

圖5.MAX22005與電流輸出傳感器連接，采用多功能配置。

圖6.MAX22005與多功能配置的電壓輸出傳感器連接。

在圖5中，輸入電流從傳感器流經R意義電阻和 SW1 開關接地。它在 AI1 和 AI2 之間以差異方式測量。模擬開關 （SW1） 的導通電阻 （RON） 并不顯著，因為它不包括在 R 兩端測量的壓降中意義.但是，對于此應用，建議使用MAX14757或MAX14760等低漏電開關。

除了電流測量外，系統還可以通過AI1–AI3差分測量確定電壓和功耗信息。可以使用低成本的n-MOSFET作為開關，例如Nexperia的2N7002NXAK。輸入端子上可能需要一個額外的瞬態電壓抑制器（TVS）來保護開關和檢測電阻。?

圖6中，SW1開關關斷，MAX22005通過AI1–AI3差分測量測量電壓信息。

圖7顯示了輔助兩種不同類型的傳感器的另一種可能性。在本例中，電流輸出傳感器連接在IN1和地之間，而電壓輸出傳感器可以連接在IN3和地之間。電流通過 AI1–AI2 差分輸入測量，電壓通過 AI3 單端輸入測量。

圖7.MAX22005三路連接，帶電壓和電流傳感器。

利用MAX22005和RTD進行溫度測量

圖8所示為使用MAX22005三元器件的電阻式溫度檢測器（RTD）進行溫度測量的實際實現。在本例中，RTD的激勵電流由使用MAX44250運算放大器和2.49k的電流源產生。精密電阻器。

圖8.MAX22005溫度測量采用RTD。

MAX22005的內部電壓基準（REF_OUT）提供2.5V緩沖輸出，維持在2.49k電壓上。電阻器通過RTD和2.49k產生1mA電流？電阻器。MAX22005最多可連接4個RTD，利用MAX44252四通道運算放大器。

RTD電阻可以通過公式1計算，溫度可以通過求解公式2中的Callendar-Van Dusen方程來確定。

其中：

VAI1-AI2是在 AI1 和 AI2 輸入之間測量的差分電壓。

VAI1-AI3是在 AI1 和 AI3 輸入之間測量的差分電壓，表示 RTD 導線上的壓降。

VAI3上的單端壓降是嗎？電阻器。

R（T） = R0（1 + A × T + B × T2? 100 × C × T3+ C × T4）

其中：

R（T） = 溫度 T 時的 RTD 電阻 （°C）

R0 = 0°C 時的 RTD 電阻

A、B 和 C 常數源自實驗確定的參數，并受 IEC751 標準的約束。它們還必須由RTD制造商提供。

對于 Pt100 RTD 和電阻溫度系數，a = 0.003850，其中：

A = 3.90830 × 10（?3）B = ?5.77500 × 10（?7）

C = ?4.18301 × 10?12?200°C = T = 0°C C = 0 為 0°C = T = +850°C

結果通過MAX22005評估板、MAX44250評估板和Fluke 724溫度校準器進行Pt100 RTD仿真，如表1所示。?

MAX22005的完整實現

圖9所示為MAX22005在工業控制系統（如PLC、DSC或PAC）中的實現方案。它說明了MAX 22005能夠支持以下組合以及許多其他電流傳感器、電壓傳感器和RTD的多種方式：

四個電流傳感器，帶兩根或三根線

四個電壓傳感器，帶兩根或三根線

上述方案的多種組合。例如：

三個電流傳感器 + 一個電壓傳感器

兩個電流傳感器 + 兩個電壓傳感器

一個電流傳感器+三個電壓傳感器

四個 RTD

AI5/AI6 （AI11/AI12） 上的兩個熱電偶 （TC），AI1、AI2、AI3 和 AI7、AI8、AI9 上的兩個 RTD 用于測量冷端溫度

圖9.MAX22005在工業控制系統中的完全應用。

結論

工業級傳感器與MAX22005多通道模擬輸入之間的連接方案允許構建精確且高性價比的系統方案。MAX22005允許系統工程師開發高度可配置和靈活的工業控制系統，以應對二十一世紀的挑戰。

審核編輯：郭婷