4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(二)

【任務(wù)】4~20mA利于工業(yè)現(xiàn)場信號的遠(yuǎn)程無衰減抗干擾傳輸，但該電流信號須轉(zhuǎn)換為電壓信號并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才便于MCU處理。試設(shè)計一個4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的I/V電路。

【構(gòu)思】繼承上一篇的成果（為分析和計算方便，我給一些電位節(jié)點添加了標(biāo)號）：

上面的電路是否有可能實現(xiàn)4~20mA轉(zhuǎn)0~5V，即Uo=0.3125Ii-1.25，我們不妨試算一下：

根據(jù)虛斷虛短，Ii*Rs=Ui=V3=V2；根據(jù)KCL電流節(jié)點定律：考慮由R2、R5、Rf形成的節(jié)點，(Uo-V2)/Rf=V2/R2+(V2-Ud)/R5。

將V2=Ii*Rs及Ud=15*R4/(R3+R4)代入上式，整理得到：Uo=[1+Rf/R2+Rf/R5)]*Rs*Ii-15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]。

注意：由于上式的輸入電流Ii單位為mA，而輸出電壓Uo的單位為V，故所有電阻的單位為V/mA=kΩ（簡稱k），從而Rs=0.249k。

接下來，我們的目標(biāo)是使：[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25。從數(shù)學(xué)直觀上來說，上面兩式是有可能實現(xiàn)的——我們的運氣不錯。

為了盡量減小R2、Rf對分壓電阻R3、R4的影響，不妨使R5取相對于其他電阻很大的值，比如R5=200k。反相端的電阻R2取100k，運放的最大輸入端電流不超過5/(100)=50uA。將R2=100k，R5=200k代入[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，得到：

(1+Rf/100+Rf/200)*0.249=0.3125，求得Rf=17k（沒有這個標(biāo)準(zhǔn)的電阻，但為了后面的計算，我們暫且采用這個非標(biāo)值，等確定所有電阻值后，再一并處理）。

再考慮15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25，前已確定Rf=17k，R5=200k，代入式中并稍加整理得到：R4=50R3。

為計算方便，不妨取R3=2k，R4=100k（分壓電阻盡量大些，減少不必要的功耗）。為保證精度，這兩個電阻使用1%的精度。

為使運放“零輸入時零輸出”，R1≈R2//Rf=100k//17k≈15k(由于R5較大，在計算的處理上可忽略)。

至此，所有電阻值確定了，如下圖：

考慮到Rf=17k并非標(biāo)準(zhǔn)電阻，而且為了保證轉(zhuǎn)換精度，Rf可用20k 1%的多圈電位器代替。如下圖：

【仿真驗證】給輸入端添加一個電流源模型CSOURCE，將電位器Rf的值調(diào)到1-17/20=15%，依次使電流源的電流為4mA、10mA，使用電流探針和電壓探針分別顯示對應(yīng)的輸入電流Ii和輸出電壓Uo如下：

從上圖可以看到：當(dāng)Ii=0.004A=4mA時，Uo=0.0114282V≈0V。

從上圖可以看到：當(dāng)Ii=0.004A=10mA時，Uo=1.88518V≈1.89V。理論值Uo=0.3125Ii-1.25=0.3125*10-1.25=1.875V，誤差不大。

限于篇幅，20mA的仿真驗證我就不展示了，Uo的輸出非常接近5V（大約為5.013V）。

自此，4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的電路設(shè)計完畢，需要鄭重說明的是，這個電路完全基于個人的構(gòu)想，之前在教科書及全網(wǎng)是找不到的，這里僅提供一種設(shè)計電路的思想和習(xí)慣，至于它是否適合于實際工程應(yīng)用，有待實踐檢驗——也許，還需改良吧。