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

黃 偉， 莊志紅

（常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 常州 213002）

在工業(yè)現(xiàn)場， 電壓輸出信號(hào)通過傳輸線實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸時(shí)，由于傳輸線會(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(hào)傳輸受到很大限制；而電流由于對(duì)噪聲不敏感，所以電流輸出信號(hào)因其較高的抗干擾能力而被廣泛用于工業(yè)儀表信號(hào)的輸出[1]。

4～20 mA 電流環(huán)用4 mA 表示零信號(hào)， 用20 mA 表示信號(hào)的滿刻度，而低于4 mA 或高于20 mA 的信號(hào)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）[2]。 因此研究和應(yīng)用4－20 mA 電路，無論是作為傳感器信號(hào)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(jià)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；ΣΔDAC 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(jià)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[3]。

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[4]，但常用D/A 芯片直接輸出的都是電壓信號(hào)，需進(jìn)行V/I 變換，才能得到所需的電流信號(hào)，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/V+V/I 即F/I 方案

圖2 DAC0832 輸出電流典型應(yīng)用Fig. 2 Typical output current application of DAC0832

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(hào)，甚至PWM 信號(hào)。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。

圖3 F/ I 結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of F/I

方案優(yōu)點(diǎn)：頻率信號(hào)可以方便實(shí)現(xiàn)光耦隔離，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力；對(duì)控制器要求更寬。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度相對(duì)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(dòng)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(shí)尚有較好的線性[5]；只需接入幾個(gè)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。

圖4 F/V 原理圖Fig. 4 Schematic diagram of F/V

輸入頻率信號(hào)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(hào)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(duì)電容CL充電，充電時(shí)間由電源VCC 通過電阻Rt對(duì)電容Ct構(gòu)成的充電回路的充電時(shí)間常數(shù)決定，此平均充電電流如式1 所示。

當(dāng)電容Ct電壓達(dá)到內(nèi)設(shè)2/3VCC 時(shí)，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。

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：

當(dāng)CL充放電平均電流平衡時(shí)， 所得輸出電壓Vo 如式（4）所示：

可見，當(dāng)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。

圖5 V/I 原理圖Fig. 5 Schematic diagram of V/I

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

R10與E2 構(gòu)成低通濾波器， 減小信號(hào)紋波對(duì)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：

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I out≈I e。

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

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(shí)合理選擇器件參數(shù)，則可實(shí)現(xiàn)4－20 mA 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(hào)，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(gè)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(shí)、高速輸出、PWM 等工作方式[6]。

本系統(tǒng)利用PCA 產(chǎn)生方波信號(hào)， 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：

void PCA0pro（） interrupt 9

{PWM1 = ! PWM1； //輸出引腳電平取反

CCF0=0；

PCA0CPL0 +=PWM_tounterL；

if（CY）

PCA0CPH0 = PCA0CPH0+PWM_tounterH+1；

else

PCA0CPH0 = PCA0CPH0+PWM_tounterH；}

表1 測試數(shù)據(jù)Tab. 1 Test data

測量數(shù)據(jù)顯示，符合信號(hào)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(shí)存在一定非線性，但只要對(duì)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(hào)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(gè)系統(tǒng)的可靠性。

[1] 秦鍵， 譚延良. 基于PWM波的4－20mA轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與分析[J]. 信息技術(shù)，2014（5）:64－66.

[2] 武文斌， 陳先玉. 4－20 mA電流環(huán)串行通信接口抗干擾研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（12）:116－118.

[3] AD421常見問題解答[EB/OL].（2014）http://www.analog.com/zh/content/cast_faq_AD421/fca.html.

[4] 寧海，劉瀛.用TLC5620D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)4路4－20 mA信號(hào)發(fā)器的設(shè)計(jì)方法[J]. 丹東紡專學(xué)報(bào)，2003（4）:4－5.

[5] LM331[EB/OL].（2013）.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/lm331.pdf.

[6] 張迎新. C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.