4~20mA转0~5V的I/V转换电路设计(一)

Baekhyn0506 2023-03-30 12645

应用电子电路

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描述

【任务】4~20mA利于工业现场信号的远程无衰减抗干扰传输，但该电流信号须转换为电压信号并经过A/D转换才便于MCU处理。试设计一个4~20mA转0~5V的I/V电路。

【构思】将电流信号转换为电压信号，最简单直接的办法是使用取样电阻，即让4~20mA经过一个电阻形成电压，这个电阻可以取5V/20mA=250Ω（取样电阻Rs），为使转换精度足够高，使用1%的精密电阻，标准电阻系列中最接近250Ω的电阻是249Ω 1%，故取样电阻Rs=249Ω（精度1%）。如下图：

电路设计

上面的I/V转换电路存在两个问题：一、Ui的范围为249*(4~20mA)，约为1~5V，这不符合0~5V的设计要求；二、Ii与Ui没有高阻抗隔离，易受到Ui之后负载的干扰，稳定性很差。

鉴于上面电路的缺点，Ii与Ui之间必须加入高阻抗电路，而且为提升信号转换的稳定性，必须加入负反馈环节。高输入阻抗，负反馈环节，这使人想到基于运放的放大电路。为使4mA与0V对应，我们可构造函数关系：Uo=k*(Ii-4)。当Ii=4mA时，Uo=0V；为使Ii=20mA时，Uo=5V，必须使系数k=5/(20-4)=5/16，所以Uo=(5/16)*(Ii-4)=0.3125Ii-1.25，上式右边分成两部分0.3125Ii和-1.25，这使人分别联想到同相比例放大器和减法器。首先构造同相比例放大器（这里我使用超低失调的op07运放，双电源±15V供电，此电源的设计略）：

电路设计

上面的电路实现了三个目标：1.高阻隔离了输入信号Ii与输出信号Uo，使Uo所接负载不会直接干扰Ii；2.Rf形成负反馈环节，当Ii确定时，Uo就确定了。但如果Uo因为后级电路的扰动而减小，这是送给运放2脚（反相端）的电压减小，及负反馈量减小，那么将使运放得输出增大，于是一降一升恢复了Uo的值，从而稳定了Ii与Uo的严格对应关系。到此，我们实现了0.3125Ii的可能电路结构。

接着我们来实现-1.25V的部分：既然输入Ii从同相端输入，那么负电压信号-1.25V必然要从反相端输入，而1.25V的电压可通过+15V电压分压得到。于是必然得到下面的电路：

电路设计

对上面的电路稍作分析，发现存在一个严重的问题：Ii*Rs给运放的2脚和3脚确定一个电压（此电压可变），+15V通过R3、R4分压给定运放2脚一个电压（此电压是固定值），显然一个变化的电压不可能始终等于一个固定的电压。所以上面的电路需要改进：既然不允许这两个电压相等，那就在二者之间插入一个电阻隔离开吧。如下图中的电阻R5：

电路设计

上面的电路是否能实现设计意图，凑出Uo=0.3125Ii-1.25的关系，下篇我们会进行试算。如果试算成功，将精算元件参数；如果试算表明电路结构还需改进，那就继续探索改进电路结构。

（未完待续）

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