實(shí)用的4～20mA輸入/0～5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路,I-V converter

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實(shí)用的4～20mA輸入/0～5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路

LM324組成的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路
解決上面問(wèn)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(jiàn)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(wú)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(lái)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。
同時(shí)，線路輸入與主電路的隔離作用，尤其是主電路為單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)候，這個(gè)隔離級(jí)還可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用。
圖2 采用的是廉價(jià)運(yùn)放LM324，其對(duì)零點(diǎn)的處理是在反相輸入端上加入一個(gè)調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時(shí)在RAO上的壓降。有了運(yùn)算放大器，還使得 RAO的取值可以更加小，因?yàn)檫@時(shí)信號(hào)電壓不夠大的部分可以通過(guò)配置運(yùn)放的放大倍數(shù)來(lái)補(bǔ)足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。
使用運(yùn)算放大器也會(huì)帶來(lái)一些麻煩，尤其在注重低成本的時(shí)候，選擇的運(yùn)放往往是最最廉價(jià)的，運(yùn)放的失調(diào)與漂移，以及因?yàn)檫\(yùn)放的供電與單片機(jī)電路供電的穩(wěn)定性，電源電壓是否可以保證足夠穩(wěn)定，運(yùn)放的輸入阻抗是否對(duì)信號(hào)有分流影響，以及運(yùn)放是否在整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)放大特性平坦，如此等等，造成這種廉價(jià)電路的實(shí)際效果不如人意。
而最大的不如人意之處還是在零點(diǎn)抵消電路上，隨著信號(hào)電流的變化，運(yùn)放的反相端的電壓總是會(huì)與零點(diǎn)調(diào)整電壓發(fā)生矛盾，就是這個(gè)零點(diǎn)電壓也在隨著運(yùn)放輸出的變化而變化，只不過(guò)由于有了信號(hào)有用電壓的存在，而在結(jié)果中不容易區(qū)分而已。這種現(xiàn)象最容易造成非線性加大。雖然可以在單片機(jī)里采用軟件校正來(lái)糾正，但是，就具體措施而言，這樣做需要增加編程人員不少的工作量，而且需要多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)來(lái)應(yīng)對(duì)。

OP07組成的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路
圖3電路是一種被推薦使用的較好線路，首先，對(duì)運(yùn)放的供電采用了由DIP封裝的TL431組成的高精度穩(wěn)壓電路，這種TL431采用DIP8封裝，耗散功率達(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(guò)TIA31穩(wěn)壓后的負(fù)電源提供，它通過(guò)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(guò)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)，可是，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(lái)是1：4的關(guān)系，是因?yàn)樗鼈兞鬟^(guò)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(wàn)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，人們往往會(huì)采取比較快捷的工程應(yīng)用方法而不是理論推導(dǎo)來(lái)完成任務(wù)，因?yàn)樵谶x擇元器件時(shí)，就往往無(wú)法按照計(jì)算好的數(shù)值去購(gòu)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(guò)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(guò)一個(gè)實(shí)際例子來(lái)說(shuō)明這種電路的調(diào)試過(guò)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(lái)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。
完成上面的簡(jiǎn)單計(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(shuō)明提到過(guò)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)=2.25KΩ。R01=[5000／(512.5- 106.25)-1]×1=11.3l等于(5000是滿度輸出電壓，512.5是滿度輸入電壓，106.25是零點(diǎn)輸入電壓，-1是因?yàn)橥?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器會(huì)自然+1，-1是因?yàn)镽02=1KΩ)。
驗(yàn)算一下：
零點(diǎn)電流輸入時(shí)，輸入電壓為：4.25×25=(2.5×100)／(225+100)，結(jié)果：106.25=106.4，誤差：0.0014。滿度電流輸入時(shí)的滿度輸出電壓：(20.5×25-106.4)×(1 1.31／1+1)=4999.09，誤差：0.00018。
上面的計(jì)算和對(duì)電阻的取值都省略了小數(shù)點(diǎn)后多于3位的數(shù)字，因?yàn)閷?shí)用中已經(jīng)不夠現(xiàn)實(shí)了。就目前的數(shù)值而言，在實(shí)際應(yīng)用中也可以滿足許多較高精度測(cè)量的要求了。

提示：

1. 運(yùn)算放大器OP-07本身在零電壓輸而輸出不為零時(shí)，可以在其1PN8P上連接微調(diào)電位器進(jìn)行靜態(tài)零點(diǎn)調(diào)整，也可以在零點(diǎn)電流輸入時(shí)一并處理。
2. 由ICA和ICB組成的高精度穩(wěn)壓電源，其輸出電壓應(yīng)該大于主電路要求的滿度輸入電壓至少3V以上，這時(shí)候，不能使用T902小功率封裝的TL431來(lái)替換本電路DIP8封裝的TL431。
3. 當(dāng)需要本電路處理其他非4~20mA輸入的信號(hào)時(shí)，可以去掉R10，這時(shí)候，利用OP-07的優(yōu)良性能和供電電源的高精度，作為通用放大器來(lái)使用。也是非常理想的。