MAX12900 4-20mA变送器的校准方法详解

　　MAX12900是一款超低功耗，高集成度的4-20mA传感器变送器，该器件采用PWM输入来调整环路电流，可以省去传统方案中用于设置环路电流的DAC，两路PWM输入分别用于粗调和细调，可以实现高达16位的电流分辨率，器件内部的低温漂模块可以确保在整个工作温度范围具有非常低的温漂，因此利用MAX12900实现的解决方案具有超高的电流输出精度以及超低的温度飘移。由于系统采用环路供电，MAX12900的片上LDO还可以为外部的低功耗处理器供电，这样就会导致系统的初始电流无法确定，另外，外围元件的选择也会影响系统施加电流的精度，因此，在系统设计调试完成后，需要对系统进行校准，以确保环路输出电流的精度。

　　PWM发生器

　　目前市场上流行的各种处理器都带有定时器（计数器）可以用来产生PWM波形输出，PWM有两个重要的参数：PWM频率和PWM占空比，定时器对输入的时钟信号（fclk）进行计数来产生PWM信号的频率，器件内部有专门的寄存器（F_counter）来设置计数值以确定PWM频率，同时还有一个寄存器（duty_cycle_counter）用来设置PWM占空比， 当定时器（计数器）值小于duty_cycle_counter设置值时，PWM输出电平保持不变，当定时器（计数器）值等于duty_cycle_counter的设置值时，PWM输出电平改变，直到定时器（计数器）值达到f_counter的设置值之前，输出电平保持不变，因此PWM信号的输出频率和PWM占空比可以表示为

　

　　当duty_cycle_counter设置值在0至F_counter之间变化时，可以产生0%至100%占空比的PWM信号，当占空比为100%时，将产生对应于PWM信号高电平的DC电压。MAX12900内部的PWM调理器将处理器发送的PWM信号转换成高电平为基准电压的PWM信号，这样就减轻了对处理器端PWM信号电平的要求，然后通过低通滤波器可以将PWM信号转换成对应的DC电压值，控制环路变送器的电流输出。

　　PWM输入转换成直流电压输出

　

　　图1. MAX12900 PWM至DC输出转换器

　　图1为PWM到直流输入的转换电路，关于该电路的工作原理以及公式的推导，请参考MAX12900数据手册以及MAXREFDES1161#数据手册，下面用到的公式都可以从MAXREFDES1161#数据手册中找到。

　　在图1中，OP1运算放大器和外围电阻电容构成反向低通滤波器，将两路PWM输入信号转换成Voutop1直流输出， 输入到R17和R18的PWM信号高电平为基准电压，低电平为0，按照MAXREFDES1161#中选择的电阻值（R17=R15=22.6kΩ，R18=1.5MΩ，R13=R14=294kΩ），在不考虑电阻误差的情况下，Voutop1的电压值可以按照下面的公式进行计算：

　　这里，DutyCycleA 和DutyCycleB分别为输入的PWM占空比，由于滤波器为反向低通滤波器，所以在占空比为100%时，输出电压最小（除上电默认状态外，在实际应用中不能将PWMA和PWMB同时设置为100%），为了方便说明并且和MAX12900评估板软件对应起来，我们可以定义：

　　这样，公式就可以写为：

　　PWM占空比与环路电流的关系

　　

　　电流环路原理图如图2所示，电流环路的输出电流可以用下式来表示：

　　同样，在不考虑电阻误差的情况下，利用MAXREFDES1161#中选择的电阻值 （R24=100kΩ，R12=1MΩ，R9=24.9kΩ，R6=24.9Ω），该公式可以写为：

　

　　从该公式可以看出，当PWMB的占空比为50%时，环路电流是由PWMA来确定的。由于外部电阻的精度误差以及放大器的失调电压等都会对环路电流的输出引入误差，从公式可以看出，能够调整的只有PWMA和PWMB的占空比，因此可以修正PWMA和PWMB占空比的增益误差和失调误差来实现对输出电流的校准，假设PWMA的修正后增益为K1，失调为b1，PWMB的修正后增益为K2，失调为b2， 那么最终的计算公式应为：

　　当设置不同占空比的PWMA和PWMB时可以得到不同的环路电流输出，通过4个不同的环路电流输出值，就可以计算出增益和失调，实现对MAX12900输出电流进行校准。

　　MAX12900 4-20mA变送器的校准过程

　　接下来以MAX12900评估板的设置来介绍如何对MAX12900进行校准，在MAX12900评估板上采用的处理器系统时钟频率为3MHz，当F_counter设置为256时可以产生11.7kHz的PWM信号，在评估板进行校准时，为简化计算，分别设置了两组相同PWMA占空比和两组相同PWMB占空比的电流输出，如下图所示：

　　

　　然后代入（7）可得到如下算式：（注意：评估板上的PWMB对应于本文中的PWMA）

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

　　这样就完成了对MAX12900的校准。

　　如何根据预期电流计算PWM占空比

　　从上面的式7 可以看出，输出电流是由PWMA和PWMB共同控制产生，PWMA用于粗调，PWMB用于细调，并且当PWMB的占空比为50%时，输出电流主要是由粗调来决定的，因此在计算粗调PWMA的占空比时，将PWMB的占空比先设置为50%，计算出粗调PWMA的占空比，然后根据计算出的粗调PWMA占空比再计算细调PWMB的占空比。计算PWMA时，可以根据式7得到：

　　对于当前设计，设置PWM计数器的值和占空比的关系如下：

　　这样就可以计算出PWMA计数器的设置值。 然后根据式7来计算细调PWMB的占空比：

　　在式10中，K1，K2和b是校准得到的，RDuty CycleA是式8计算得到的。这样就可以得到细调PWMB的占空比，同样根据

　　就可以计算出PWMB计数器的设置值，这样就完成了预期输出电流的设置。

　　系统校准后验证输出电流

　　在对MAXREFDES1161校准后，得到相应的K1，K2和b。然后根据预期输出电流值用式8和式10分别计算要施加的PWM占空比，根据式9和式11得到PWM计数器的设置值，测试结果如下：

　　从以上测试结果可以看出，经过校准后的MAX12900具有非常高的输出电流精度。

　　结论：

　　MAX12900 4-20mA变送器利用通用处理器输出PWM信号来实现输出电流的控制，可以降低系统的成本，同时外围元件的精度对输出电流的精度有很大的影响，因此在使用MAX12900时需要对其进行系统校准，校准后的系统具有非常高的输出电流精度，同时可以降低对外围元件的精度要求。