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

實用的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
解決上面問題的簡單方法是在單片機輸入之前配置一個由運算放大器組成的緩沖處理電路，見圖2。

增加這級運算放大器可以起到對零點的處理會變得更加方便，無需耗用單片機的內(nèi)部資源，尤其單片機是采用A／D接口來接受這種零點信號不為零電壓的輸入時，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)前級采用24V供電時，RA0經(jīng)常會使用500Ω的阻值，對應(yīng)20mA 的時候，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，這時候，傳感變送器的供電只要12V就夠用了。因為即使傳送距離達到1000米，RA0最多也就幾百Ω而已。
同時，線路輸入與主電路的隔離作用，尤其是主電路為單片機系統(tǒng)的時候，這個隔離級還可以起到保護單片機系統(tǒng)的作用。
圖2 采用的是廉價運放LM324，其對零點的處理是在反相輸入端上加入一個調(diào)整電壓，其大小恰好為輸入4mA時在RAO上的壓降。有了運算放大器，還使得 RAO的取值可以更加小，因為這時信號電壓不夠大的部分可以通過配置運放的放大倍數(shù)來補足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉(zhuǎn)換成為0～5V電壓了。
使用運算放大器也會帶來一些麻煩，尤其在注重低成本的時候，選擇的運放往往是最最廉價的，運放的失調(diào)與漂移，以及因為運放的供電與單片機電路供電的穩(wěn)定性，電源電壓是否可以保證足夠穩(wěn)定，運放的輸入阻抗是否對信號有分流影響，以及運放是否在整個信號范圍內(nèi)放大特性平坦，如此等等，造成這種廉價電路的實際效果不如人意。
而最大的不如人意之處還是在零點抵消電路上，隨著信號電流的變化，運放的反相端的電壓總是會與零點調(diào)整電壓發(fā)生矛盾，就是這個零點電壓也在隨著運放輸出的變化而變化，只不過由于有了信號有用電壓的存在，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。雖然可以在單片機里采用軟件校正來糾正，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，而且需要多點采集數(shù)據(jù)來應(yīng)對。

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，對運放的供電采用了由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)于普通廉價運放。最為關(guān)鍵的是在對零點信號的處理上，可以保證輸入4mA的時候，運放ICC的輸出電壓等于零。

分析一下這部分電路的工作原理：運放ICD的同相輸入端電壓由經(jīng)過TIA31穩(wěn)壓后的負電源提供，它通過R15與R14的分壓，取R14上的電壓與R10 上在4mA時的電壓一樣，然后，經(jīng)過運放的緩沖，從運放輸出接有一只PNP型三極管用于擴展輸出能力，實際這是一個典型的運算放大器穩(wěn)壓電源，其輸出將跟隨著運放同相端的電壓，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，由于運放的作用，這個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傳信號的使用環(huán)境，為了防止引入干擾信號，加有輸入濾波電容器C0和兩只1N4148二極管對輸入信號可能出現(xiàn)的危險電壓進行保護。
例如：
取R10=25Ω，4mA時，其壓降=0.1V，把ICD的同相端輸入電壓配置為負的0.1V，這樣，輸入信號的0.1V與這個I／V配置的負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，減少同時手續(xù)，對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，在實際上，這些參數(shù)都是不夠精確的，包括一些進口傳感交送器，實際測試零點電流有誤差高達 18％的，即標(biāo)稱的4mA變成了3.3mA或4.7mA，這時候，就需要進行零點調(diào)整。在零點調(diào)整的時候，需要注意，R10與R14原來是1：4的關(guān)系，是因為它們流過的電流恰好是4：l的關(guān)系。因此，如果需要調(diào)整零點電壓的時候，千萬不要再動R10與R14，而應(yīng)該在零點調(diào)整時更改R15，在滿度調(diào)整時更改 R01。
在工程上，人們往往會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)，因為在選擇元器件時，就往往無法按照計算好的數(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，也不可能按照理論計算的數(shù)值去測量，尤其當(dāng)計算結(jié)果帶著超過4位小數(shù)以上時．對所使用的儀表就會要求很高，成為"雞蛋里頭挑骨頭了"。我們可以通過一個實際例子來說明這種電路的調(diào)試過程。
首先，必須把實際的傳感交送器拿到手并且進行實際的測量，例如測量到的數(shù)據(jù)為：零點電流=4.25mA，滿度電流=20.5mA。然后，根據(jù)最大輸入電流的實際數(shù)值來求出最大輸入電壓：20.5mA時R10上的電壓就是：20.5×25=512.5mV，其次求出零點電壓：4.25×25= 106.25mV。
完成上面的簡單計算后，接著，對電路的參數(shù)進行調(diào)整，零點的時候調(diào)整R15，滿度的時候調(diào)整R01。按照說明提到過得，ICD的同相輸入電壓等于零點時 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是零點輸入電壓，-1是因為同相放大器會自然+1，-1是因為R02=1KΩ)。
驗算一下：
零點電流輸入時，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。
上面的計算和對電阻的取值都省略了小數(shù)點后多于3位的數(shù)字，因為實用中已經(jīng)不夠現(xiàn)實了。就目前的數(shù)值而言，在實際應(yīng)用中也可以滿足許多較高精度測量的要求了。

提示：

1. 運算放大器OP-07本身在零電壓輸而輸出不為零時，可以在其1PN8P上連接微調(diào)電位器進行靜態(tài)零點調(diào)整，也可以在零點電流輸入時一并處理。
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，這時候，不能使用T902小功率封裝的TL431來替換本電路DIP8封裝的TL431。
3. 當(dāng)需要本電路處理其他非4~20mA輸入的信號時，可以去掉R10，這時候，利用OP-07的優(yōu)良性能和供電電源的高精度，作為通用放大器來使用。也是非常理想的。