4-20毫安電流轉(zhuǎn)電壓電路實(shí)驗(yàn)

4-20毫安電流轉(zhuǎn)1-5V電壓轉(zhuǎn)換電路

最簡(jiǎn)單的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路

在與電流輸出的傳感器接口時(shí)，為把傳感器(變送器)輸出的1-10mA或者4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，往往都會(huì)在后級(jí)電路的最前端配置一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換電路，圖1就是這種電路最簡(jiǎn)單的應(yīng)用示意圖。

僅使用一只I/V轉(zhuǎn)換取樣電阻，就能夠把輸入電流轉(zhuǎn)換成為信號(hào)電壓，其取樣電阻可以按照Vin／I=R求出，Vin是單片機(jī)須要的滿度A／D信號(hào)電壓，I是輸入的最大信號(hào)電流。

這樣的電路雖然簡(jiǎn)單，但卻不實(shí)用，首先，其實(shí)際意義是零點(diǎn)信號(hào)的時(shí)候，會(huì)有一個(gè)零點(diǎn)電流流過取樣電阻，如果按照4~20mA輸入電流轉(zhuǎn)換到最大5V電壓來分析，零點(diǎn)的時(shí)候恰好是1V，這個(gè)1V在單片機(jī)資源足夠的時(shí)候，可以由單片機(jī)軟件去減掉它。可是這樣一來。其有用電壓就會(huì)剩下5-1=4V而不是5V了。由于單片機(jī)的A／D最大輸入電壓就是單片機(jī)的供電電壓，這個(gè)電壓通常就是5V，因此，處理這種簡(jiǎn)單的輸入轉(zhuǎn)換電路時(shí)比較麻煩。為了達(dá)到A／D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致芯片成本增加。LM324組成的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路

解決上面問題的簡(jiǎn)單方法是在單片機(jī)輸入之前配置一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的緩沖處理電路，見圖2。

增加這級(jí)運(yùn)算放大器可以起到對(duì)零點(diǎn)的處理會(huì)變得更加方便，無需耗用單片機(jī)的內(nèi)部資源，尤其單片機(jī)是采用A／D接口來接受這種零點(diǎn)信號(hào)不為零電壓的輸入時(shí)，可以保證A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的資源能夠全部應(yīng)用于有用信號(hào)上。

以4～20mA例，圖B中的RA0是電流取樣電阻，其值的大小主要受傳感變送器供電電壓的制約，當(dāng)前級(jí)采用24V供電時(shí)，RA0經(jīng)常會(huì)使用500Ω的阻值，對(duì)應(yīng)20mA的時(shí)候，轉(zhuǎn)換電壓為10V，如果僅僅需要最大轉(zhuǎn)換電壓為5V，可以取RA0=250Ω，這時(shí)候，傳感變送器的供電只要12V就夠用了。因?yàn)榧词箓魉途嚯x達(dá)到1000米，RA0最多也就幾百Ω而已。功率達(dá)到1W，更改供電電壓只需更換分壓電阻就可以輕易辦到。其次，運(yùn)算放大器選擇使用的是高精度低失調(diào)的OP07，其參數(shù)指標(biāo)大大優(yōu)于普通廉價(jià)運(yùn)放。最為關(guān)鍵的是在對(duì)零點(diǎn)信號(hào)的處理上，可以保證輸入4mA的時(shí)候，運(yùn)放ICC的輸出電壓等于零。

分析一下這部分電路的工作原理：運(yùn)放ICD的同相輸入端電壓由經(jīng)過TL431穩(wěn)壓后的負(fù)電源提供，它通過R15與R14的分壓，取R14上的電壓與R10上在4mA時(shí)的電壓一樣，然后，經(jīng)過運(yùn)放的緩沖，從運(yùn)放輸出接有一只PNP型三極管用于擴(kuò)展輸出能力，實(shí)際這是一個(gè)典型的運(yùn)算放大器穩(wěn)壓電源，其輸出將跟隨著運(yùn)放同相端的電壓，可以從接近零的電壓起調(diào)。

R10就是4~20mA的I/V轉(zhuǎn)換電阻，按照上述道理，由于運(yùn)放的作用，這個(gè)電阻的最小取值可以很小，電阻越小越能減輕前方傳感變送器的供電要求。

正是考慮到傳感變送器屬于一種遠(yuǎn)傳信號(hào)的使用環(huán)境，為了防止引入干擾信號(hào)，加有輸入濾波電容器C0和兩只1N4148二極管對(duì)輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)電壓進(jìn)行保護(hù)。

例如：

取R10=25Ω，4mA時(shí)，其壓降=0.1V，把ICD的同相端輸入電壓配置為負(fù)的0.1V，這樣，輸入信號(hào)的0.1V與這個(gè)I／V配置的負(fù)0.1V恰好互相抵消，ICC輸出將是零電壓。隨著輸入電流的增大，如果輸入電流是5mA，I/V轉(zhuǎn)換電壓將是0.125V……如果輸入電流是20mA，I／V取樣電壓就是500mV。這樣，我們可以把這個(gè)電壓放大10倍得到5V滿度輸出，或者放大20倍得到10V滿度輸出。為了方便工程上的工作方便，減少同時(shí)手續(xù)，對(duì)R10、R15、R14、R01、R02等重要電阻，必須選擇其精度0.1％的E96分度的金屬膜電阻，其溫度漂移參數(shù)最好能夠不大于50ppm。

許多傳感器變送器輸入標(biāo)注著4～20mA的輸出指標(biāo)，但是，在實(shí)際上，這些參數(shù)都是不夠精確的，包括一些進(jìn)口傳感交送器，實(shí)際測(cè)試零點(diǎn)電流有誤差高達(dá)18％的，即標(biāo)稱的4mA變成了3.3mA或4.7mA，這時(shí)候，就需要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。在零點(diǎn)調(diào)整的時(shí)候，需要注意，R10與R14原來是1：4的關(guān)系，是因?yàn)樗鼈兞鬟^的電流恰好是4：l的關(guān)系。因此，如果需要調(diào)整零點(diǎn)電壓的時(shí)候，千萬不要再動(dòng)R10與R14，而應(yīng)該在零點(diǎn)調(diào)整時(shí)更改R15，在滿度調(diào)整時(shí)更改R01。

在工程上，人們通常會(huì)采取比較快捷的工程應(yīng)用方法而不是理論推導(dǎo)來完成任務(wù)，因?yàn)樵谶x擇元器件時(shí)，就往往無法按照計(jì)算好的數(shù)值去購買，只能從標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的品種里頭去選擇搭配，而且，在調(diào)試時(shí)，也不可能按照理論計(jì)算的數(shù)值去測(cè)量，尤其當(dāng)計(jì)算結(jié)果帶著超過4位小數(shù)以上時(shí)．對(duì)所使用的儀表就會(huì)要求很高，成為"雞蛋里頭挑骨頭了"。我們可以通過一個(gè)實(shí)際例子來說明這種電路的調(diào)試過程。

首先，必須把實(shí)際的傳感交送器拿到手并且進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量，例如測(cè)量到的數(shù)據(jù)為：零點(diǎn)電流=4.25mA，滿度電流=20.5mA。然后，根據(jù)最大輸入電流的實(shí)際數(shù)值來求出最大輸入電壓：20.5mA時(shí)R10上的電壓就是：20.5×25=512.5mV，其次求出零點(diǎn)電壓：4.25×25=106.25mV。

完成上面的計(jì)算后，接著，對(duì)電路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，零點(diǎn)的時(shí)候調(diào)整R15，滿度的時(shí)候調(diào)整R01。按照說明提到過得，ICD的同相輸入電壓等于零點(diǎn)時(shí)R10上的電壓，可以求出：R15=(2500-106.25)／(106.25／100