4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)(一)

【任務(wù)】4~20mA利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的遠(yuǎn)程無(wú)衰減抗干擾傳輸，但該電流信號(hào)須轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換才便于MCU處理。試設(shè)計(jì)一個(gè)4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的I/V電路。

【構(gòu)思】將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最簡(jiǎn)單直接的辦法是使用取樣電阻，即讓4~20mA經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻形成電壓，這個(gè)電阻可以取5V/20mA=250Ω（取樣電阻Rs），為使轉(zhuǎn)換精度足夠高，使用1%的精密電阻，標(biāo)準(zhǔn)電阻系列中最接近250Ω的電阻是249Ω 1%，故取樣電阻Rs=249Ω（精度1%）。如下圖：

上面的I/V轉(zhuǎn)換電路存在兩個(gè)問(wèn)題：一、Ui的范圍為249*(4~20mA)，約為1~5V，這不符合0~5V的設(shè)計(jì)要求；二、Ii與Ui沒(méi)有高阻抗隔離，易受到Ui之后負(fù)載的干擾，穩(wěn)定性很差。

鑒于上面電路的缺點(diǎn)，Ii與Ui之間必須加入高阻抗電路，而且為提升信號(hào)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，必須加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)。高輸入阻抗，負(fù)反饋環(huán)節(jié)，這使人想到基于運(yùn)放的放大電路。為使4mA與0V對(duì)應(yīng)，我們可構(gòu)造函數(shù)關(guān)系：Uo=k*(Ii-4)。當(dāng)Ii=4mA時(shí)，Uo=0V；為使Ii=20mA時(shí)，Uo=5V，必須使系數(shù)k=5/(20-4)=5/16，所以Uo=(5/16)*(Ii-4)=0.3125Ii-1.25，上式右邊分成兩部分0.3125Ii和-1.25，這使人分別聯(lián)想到同相比例放大器和減法器。首先構(gòu)造同相比例放大器（這里我使用超低失調(diào)的op07運(yùn)放，雙電源±15V供電，此電源的設(shè)計(jì)略）：

上面的電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)目標(biāo)：1.高阻隔離了輸入信號(hào)Ii與輸出信號(hào)Uo，使Uo所接負(fù)載不會(huì)直接干擾Ii；2.Rf形成負(fù)反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)Ii確定時(shí)，Uo就確定了。但如果Uo因?yàn)楹蠹?jí)電路的擾動(dòng)而減小，這是送給運(yùn)放2腳（反相端）的電壓減小，及負(fù)反饋量減小，那么將使運(yùn)放得輸出增大，于是一降一升恢復(fù)了Uo的值，從而穩(wěn)定了Ii與Uo的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。到此，我們實(shí)現(xiàn)了0.3125Ii的可能電路結(jié)構(gòu)。

接著我們來(lái)實(shí)現(xiàn)-1.25V的部分：既然輸入Ii從同相端輸入，那么負(fù)電壓信號(hào)-1.25V必然要從反相端輸入，而1.25V的電壓可通過(guò)+15V電壓分壓得到。于是必然得到下面的電路：

對(duì)上面的電路稍作分析，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：Ii*Rs給運(yùn)放的2腳和3腳確定一個(gè)電壓（此電壓可變），+15V通過(guò)R3、R4分壓給定運(yùn)放2腳一個(gè)電壓（此電壓是固定值），顯然一個(gè)變化的電壓不可能始終等于一個(gè)固定的電壓。所以上面的電路需要改進(jìn)：既然不允許這兩個(gè)電壓相等，那就在二者之間插入一個(gè)電阻隔離開吧。如下圖中的電阻R5：

上面的電路是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，湊出Uo=0.3125Ii-1.25的關(guān)系，下篇我們會(huì)進(jìn)行試算。如果試算成功，將精算元件參數(shù)；如果試算表明電路結(jié)構(gòu)還需改進(jìn)，那就繼續(xù)探索改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。

（未完待續(xù)）