一種基于頻率/電流轉(zhuǎn)換的4～20 mA電路設(shè)計(jì)

摘要：探討了3種實(shí)現(xiàn)4～20 mA電路的方案，比較了其優(yōu)缺點(diǎn);重點(diǎn)介紹了利用LM331實(shí)現(xiàn)頻率/電壓轉(zhuǎn)換;再利用運(yùn)放和三極管構(gòu)成恒流電路，將電壓轉(zhuǎn)換成電流;實(shí)現(xiàn)4～20 mA輸出的頻率/電流轉(zhuǎn)換的工作原理，并且給出了具體器件參數(shù)和控制程序，驗(yàn)證了相關(guān)數(shù)據(jù)。本電路簡單、實(shí)用，成本低廉，可廣泛應(yīng)用于單片機(jī)、PLC等控制系統(tǒng)中。

在工業(yè)現(xiàn)場，電壓輸出信號通過傳輸線實(shí)現(xiàn)信號傳輸時，由于傳輸線會受到噪聲的干擾、分布電阻產(chǎn)生電壓下降等原因，電壓信號傳輸受到很大限制;而電流由于對噪聲不敏感，所以電流輸出信號因其較高的抗干擾能力而被廣泛用于工業(yè)儀表信號的輸出。

4～20 mA電流環(huán)用4 mA表示零信號，用20 mA表示信號的滿刻度，而低于4 mA或高于20 mA的信號用于表示異常，因而很容易區(qū)分環(huán)路斷路(0 mA，故障狀態(tài))與傳感器的零輸出(4 mA)。因此研究和應(yīng)用4—20 mA電路，無論是作為傳感器信號遠(yuǎn)程傳輸，還是微機(jī)的遠(yuǎn)程控制，都具有非常大的實(shí)用價值。

1 4～20 mA電路實(shí)現(xiàn)方案

1.1 專用芯片AD421方案

AD421是ADI公司生產(chǎn)的一款環(huán)路供電型、16腳封裝高性能4～20 mA數(shù)，模轉(zhuǎn)換器;采用標(biāo)準(zhǔn)三線串行接口，最高速率達(dá)10 Mbit/s;∑△DAC結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)16位分辨率，其積分線性誤差為±0.001%，增益誤差為±0.2%;其典型應(yīng)用如圖1所示。

方案優(yōu)點(diǎn)：能直接產(chǎn)生所需4～20 mA電流，精度高。缺點(diǎn)：芯片價格昂貴，其中MOS管、器件參數(shù)要求高，應(yīng)用工藝復(fù)雜，電流的環(huán)路必須是浮地，否則電流環(huán)路將無法形成。

1.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換+壓控恒流轉(zhuǎn)換方案

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，模擬量輸出的典型方案是利用數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，一般往往選擇并行的DAC0832作D/A轉(zhuǎn)換器，但常用D/A芯片直接輸出的都是電壓信號，需進(jìn)行V/I變換，才能得到所需的電流信號，其典型應(yīng)用如圖2所示。

方案優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快、響應(yīng)靈敏。缺點(diǎn)：與CPU間連線多，較適應(yīng)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng);壓控恒流電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

1.3 F/N+V/I即F/I方案

單片機(jī)、PLC等控制設(shè)備，都可非常容易輸出不同頻率的方波信號，甚至PWM信號。利用F/V芯片將不同頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，再利用V/I電路，將電壓轉(zhuǎn)換成電流，即可達(dá)到頻率/電流轉(zhuǎn)換4～20 mA電流輸出目的，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

方案優(yōu)點(diǎn)：頻率信號可以方便實(shí)現(xiàn)光耦隔離，從而提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力;對控制器要求更寬。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度相對較慢。

2 F/I工作原理及分析

2.1 F/V轉(zhuǎn)換電路

LM331是美國NS公司生產(chǎn)的、含有溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路的8腳集成芯片，能實(shí)現(xiàn)V/F變換和F/V變換，其動態(tài)范圍可達(dá)100 dB，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性;只需接入幾個外部元件就可實(shí)現(xiàn)頻/壓或壓/頻轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)類似于D/A或A/D所需的功能。F/V轉(zhuǎn)換原理圖如圖4所示。

輸入頻率信號Fin經(jīng)R1、C1組成的微分電路，加到LM331腳6(內(nèi)部輸入比較器的反相端)，電阻R2、R3分壓電壓加到腳7(輸入比較器的同相端)。輸入信號Fin下降沿經(jīng)微分電路產(chǎn)生的負(fù)尖脈沖，控制內(nèi)部電流源I對電容CL充電，充電時間由電源VCC通過電阻Rt對電容Ct構(gòu)成的充電回路的充電時間常數(shù)決定，此平均充電電流如式1所示。

CL平均充電電流=Ix(1.1RtCt)×Fin (1)

當(dāng)電容Ct電壓達(dá)到內(nèi)設(shè)2/3VCC時，在內(nèi)部電路控制下，CL開始通過RL放電，其平均放電電流如式(2)所示。

CL平均放電電流=Vo/RL (2)

電阻R6和多圈電位器W1構(gòu)成的總電阻Rs可改變內(nèi)部電流源I值大小，其值如式(3)所示：

I=1.90/Rs (3)

當(dāng)CL充放電平均電流平衡時，所得輸出電壓Vo如式(4)所示：

Vo=Fin×(2.09RLRtCt/Rt) (4)

可見，當(dāng)電阻RL、Rt、Rs和電容Ct值一定時，輸出電壓Vo與輸入頻率Fin成線性關(guān)系。

2.2 V/I轉(zhuǎn)換電路

TLC2712是一款輸入阻抗達(dá)1012Ω、低功耗、單電源、雙路運(yùn)算放大器，利用其可以大大提高系統(tǒng)控制精度，具體V/I轉(zhuǎn)換原理圖如圖5所示。

運(yùn)放U1A構(gòu)成同相緩沖器，目的是減小LM331輸出信號與后續(xù)V/I電路之間的影響，根據(jù)運(yùn)放特性，其Vout等于Vo。

R10與E2構(gòu)成低通濾波器，減小信號紋波對V/I轉(zhuǎn)換的影響;運(yùn)放U1B與T1構(gòu)成恒流電路，根據(jù)相關(guān)原理，可得：

∵Ve=Vref=Vout=Vo，Ie=Ve/Rref

∴Ie=Vo/Rref (5)

由于T1的基極電流極小，可忽略其影響，則輸出負(fù)載恒流電流Iout≈Ie。

將式(4)代入式(5)，最終實(shí)現(xiàn)F/I轉(zhuǎn)換公式為：

Iout=Finx(2.09 RL Rt Ct/Rs/Rref) (6)

若要提高控制精度，必須選擇高精度、高穩(wěn)定性元器件;

同時合理選擇器件參數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)4—20mA電流輸出。

3 實(shí)驗(yàn)研究

利用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)比PLC頻率更寬、精度更高的方波或PWM信號，便于進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試。

C8051F120是一款增強(qiáng)型51內(nèi)核的單片機(jī)，其最高工作頻率達(dá)100 MHz，內(nèi)集成一個可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA，16位PCA可實(shí)現(xiàn)邊沿捕捉、軟件定時、高速輸出、PWM等工作方

式。

本系統(tǒng)利用PCA產(chǎn)生方波信號，變量PWM tounterH、PWM_tounterL存放頻率半周期數(shù)據(jù)，改變其值可控制方波的頻率，其中斷服務(wù)源程序如下，測試所得數(shù)據(jù)如表1所示;

測量數(shù)據(jù)顯示，符合信號傳輸4～20 mA電流范圍的要求。

4 結(jié)束語

由于LM331進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換時存在一定非線性，但只要對4—20 mA進(jìn)行分段處理、補(bǔ)償修正，則可提高系統(tǒng)的信號傳輸精度。本方案已在污濁度檢測系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，控制效果良好。

本F/I方案不僅適用于單片機(jī)系統(tǒng)，還適用于PLC等控制器，成本低廉、應(yīng)用靈活，并且可以方便進(jìn)行電氣隔離，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。