4~20mA转0~5V的I/V转换电路设计(二)

Baekhyn0506 2023-03-30 5790

应用电子电路

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【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】继承上一篇的成果（为分析和计算方便，我给一些电位节点添加了标号）：

转换电路

上面的电路是否有可能实现4~20mA转0~5V，即Uo=0.3125Ii-1.25，我们不妨试算一下：

根据虚断虚短，Ii*Rs=Ui=V3=V2；根据KCL电流节点定律：考虑由R2、R5、Rf形成的节点，(Uo-V2)/Rf=V2/R2+(V2-Ud)/R5。

将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：由于上式的输入电流Ii单位为mA，而输出电压Uo的单位为V，故所有电阻的单位为V/mA=kΩ（简称k），从而Rs=0.249k。

接下来，我们的目标是使：[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25。从数学直观上来说，上面两式是有可能实现的——我们的运气不错。

为了尽量减小R2、Rf对分压电阻R3、R4的影响，不妨使R5取相对于其他电阻很大的值，比如R5=200k。反相端的电阻R2取100k，运放的最大输入端电流不超过5/(100)=50uA。将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（没有这个标准的电阻，但为了后面的计算，我们暂且采用这个非标值，等确定所有电阻值后，再一并处理）。

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

为计算方便，不妨取R3=2k，R4=100k（分压电阻尽量大些，减少不必要的功耗）。为保证精度，这两个电阻使用1%的精度。

为使运放“零输入时零输出”，R1≈R2//Rf=100k//17k≈15k(由于R5较大，在计算的处理上可忽略)。

至此，所有电阻值确定了，如下图：

转换电路

考虑到Rf=17k并非标准电阻，而且为了保证转换精度，Rf可用20k 1%的多圈电位器代替。如下图：

转换电路

【仿真验证】给输入端添加一个电流源模型CSOURCE，将电位器Rf的值调到1-17/20=15%，依次使电流源的电流为4mA、10mA，使用电流探针和电压探针分别显示对应的输入电流Ii和输出电压Uo如下：

转换电路

从上图可以看到：当Ii=0.004A=4mA时，Uo=0.0114282V≈0V。

转换电路

从上图可以看到：当Ii=0.004A=10mA时，Uo=1.88518V≈1.89V。理论值Uo=0.3125Ii-1.25=0.3125*10-1.25=1.875V，误差不大。

限于篇幅，20mA的仿真验证我就不展示了，Uo的输出非常接近5V（大约为5.013V）。

自此，4~20mA转0~5V的电路设计完毕，需要郑重说明的是，这个电路完全基于个人的构想，之前在教科书及全网是找不到的，这里仅提供一种设计电路的思想和习惯，至于它是否适合于实际工程应用，有待实践检验——也许，还需改良吧。

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