一種基于頻率/電流轉換的4～20 mA電路設計

摘要：探討了3種實(shí)現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)現頻率/電壓轉換;再利用運放和三極管構成恒流電路，將電壓轉換成電流;實(shí)現4～20 mA輸出的頻率/電流轉換的工作原理，并且給出了具體器件參數和控制程序，驗證了相關(guān)數據。本電路簡(jiǎn)單、實(shí)用，成本低廉，可廣泛應用于單片機、PLC等控制系統中。

在工業(yè)現場(chǎng)，電壓輸出信號通過(guò)傳輸線(xiàn)實(shí)現信號傳輸時(shí)，由于傳輸線(xiàn)會(huì )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(mǎn)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)。因此研究和應用4—20 mA電路，無(wú)論是作為傳感器信號遠程傳輸，還是微機的遠程控制，都具有非常大的實(shí)用價(jià)值。

1 4～20 mA電路實(shí)現方案

1.1 專(zhuān)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，模轉換器;采用標準三線(xiàn)串行接口，最高速率達10 Mbit/s;∑△DAC結構，可實(shí)現16位分辨率，其積分線(xiàn)性誤差為±0.001%，增益誤差為±0.2%;其典型應用如圖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(jià)格昂貴，其中MOS管、器件參數要求高，應用工藝復雜，電流的環(huán)路必須是浮地，否則電流環(huán)路將無(wú)法形成。

1.2 數/模轉換+壓控恒流轉換方案

單片機應用系統中，模擬量輸出的典型方案是利用數/模轉換芯片，一般往往選擇并行的DAC0832作D/A轉換器，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，其典型應用如圖2所示。

方案優(yōu)點(diǎn)：轉換速度快、響應靈敏。缺點(diǎn)：與CPU間連線(xiàn)多，較適應于單片機應用系統;壓控恒流電路實(shí)現復雜。

1.3 F/N+V/I即F/I方案

單片機、PLC等控制設備，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芯片將不同頻率轉換成相應的電壓，再利用V/I電路，將電壓轉換成電流，即可達到頻率/電流轉換4～20 mA電流輸出目的，其結構圖如圖3所示。

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

2 F/I工作原理及分析

2.1 F/V轉換電路

LM331是美國NS公司生產(chǎn)的、含有溫度補償能隙基準電路的8腳集成芯片，能實(shí)現V/F變換和F/V變換，其動(dòng)態(tài)范圍可達100 dB，最大非線(xiàn)性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性;只需接入幾個(gè)外部元件就可實(shí)現頻/壓或壓/頻轉換，實(shí)現類(lèi)似于D/A或A/D所需的功能。F/V轉換原理圖如圖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)生的負尖脈沖，控制內部電流源I對電容CL充電，充電時(shí)間由電源VCC通過(guò)電阻Rt對電容Ct構成的充電回路的充電時(shí)間常數決定，此平均充電電流如式1所示。

CL平均充電電流=Ix(1.1RtCt)×Fin (1)

當電容Ct電壓達到內設2/3VCC時(shí)，在內部電路控制下，CL開(kāi)始通過(guò)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構成的總電阻Rs可改變內部電流源I值大小，其值如式(3)所示：

I=1.90/Rs (3)

當CL充放電平均電流平衡時(shí)，所得輸出電壓Vo如式(4)所示：

Vo=Fin×(2.09RLRtCt/Rt) (4)

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

2.2 V/I轉換電路

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

運放U1A構成同相緩沖器，目的是減小LM331輸出信號與后續V/I電路之間的影響，根據運放特性，其Vout等于Vo。

R10與E2構成低通濾波器，減小信號紋波對V/I轉換的影響;運放U1B與T1構成恒流電路，根據相關(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，則輸出負載恒流電流Iout≈Ie。

將式(4)代入式(5)，最終實(shí)現F/I轉換公式為：

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、高穩定性元器件;

同時(shí)合理選擇器件參數，則可實(shí)現4—20mA電流輸出。

3 實(shí)驗研究

利用單片機可實(shí)現比PLC頻率更寬、精度更高的方波或PWM信號，便于進(jìn)行系統數據測試。

C8051F120是一款增強型51內核的單片機，其最高工作頻率達100 MHz，內集成一個(gè)可編程計數器陣列PCA，16位PCA可實(shí)現邊沿捕捉、軟件定時(shí)、高速輸出、PWM等工作方

式。

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

測量數據顯示，符合信號傳輸4～20 mA電流范圍的要求。

4 結束語(yǔ)

由于LM331進(jìn)行F/V轉換時(shí)存在一定非線(xiàn)性，但只要對4—20 mA進(jìn)行分段處理、補償修正，則可提高系統的信號傳輸精度。本方案已在污濁度檢測系統中得到了應用，控制效果良好。

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