一种基于频率电流转换的4～20 mA电路设计

来源：开云的网站是多少    发布时间：2024-04-27 13:54:14

  实现频率/电压转换;再利用运放和三极管构成恒流电路，将电压转换成电流;实现转换的工作原理，并且给出了具体器件参数和控制程序，验证了有关数据。本电路简单、实用，成本低廉，可大范围的应用于单片机、PLC等控制管理系统中。

  在工业现场，电压输出信号通过传输线实现信号传输时，由于传输线会受到噪声的干扰、分布电阻产生电压下降等原因，电压信号传输受到很大限制;而电流由于对噪声不敏感，所以电流输出信号因其较高的抗干扰的能力而被大范围的使用在工业仪表信号的输出。

  4～20 mA电流环用4 mA表示零信号，用20 mA表示信号的满刻度，而低于4 mA或高于20 mA的信号用于表示异常，因而很容易区分环路断路(0 mA，故障状态)与传感器的零输出(4 mA)。因此研究和应用420 mA电路，无论是作为传感器信号远程传输，还是微机的远程控制，都有很大的实用价值。

  AD421是ADI公司生产的一款环路供电型、16脚封装高性能4～20 mA数，模转换器;采用标准三线 Mbit/s;△DAC结构，可实现16位分辨率，其积分线性误差为0.001%，增益误差为0.2%;其典型应用如图1所示。

  方案优点：能直接产生所需4～20 mA电流，精度高。缺点：芯片价格昂贵，其中MOS管、器件参数要求高，应用工艺复杂，电流的环路必须是浮地，否则电流环路将无法形成。

  单片机应用系统中，模拟量输出的典型方案是利用数/模转换芯片，一般往往选择并行的DAC0832作D/A转换器，但常用D/A芯片直接输出的都是电压信号，需进行V/I变换，才能得到所需的电流信号，其典型应用如图2所示。

  方案优点：转换速度快、响应灵敏。缺点：与CPU间连线多，较适应于单片机应用系统;压控恒流电路实现复杂。

  单片机、PLC等控制设备，都可非常容易输出不同频率的方波信号，甚至PWM信号。利用F/V芯片将不同频率转换成相应的电压，再利用V/I电路，将电压转换成电流，即可达到频率/电流转换4～20 mA电流输出目的，其结构图如图3所示。

  方案优点：频率信号可以方便实现光耦隔离，来提升总系统的抗干扰的能力;对控制器要求更宽。缺点：转换速度相对较慢。

  LM331是美国NS公司生产的、含有温度补偿能隙基准电路的8脚集成芯片，能实现V/F变换和F/V变换，其动态范围可达100 dB，最大非线 Hz时尚有较好的线性;只需接入几个外部元件就可实现频/压或压/频转换，实现类似于D/A或A/D所需的功能。F/V转换原理图如图4所示。

  输入频率信号Fin经R1、C1组成的微分电路，加到LM331脚6(内部输入比较器的反相端)，电阻R2、R3分压电压加到脚7(输入比较器的同相端)。输入信号Fin下降沿经微分电路产生的负尖脉冲，控制内部电流源I对电容CL充电，充电时间由电源VCC通过电阻Rt对电容Ct构成的充电回路的充电时间常数决定，此平均充电电流如式1所示。

  当电容Ct电压达到内设2/3VCC时，在内部电路控制下，CL开始通过RL放电，其平均放电电流如式(2)所示。

  电阻R6和多圈电位器W1构成的总电阻Rs可改变内部电流源I值大小，其值如式(3)所示：

  可见，当电阻RL、Rt、Rs和电容Ct值一定时，输出电压Vo与输入频率Fin成线 V/I转换电路

  TLC2712是一款输入阻抗达1012、低功耗、单电源、双路运算放大器，利用其可以大幅度提高系统控制精度，具体V/I转换原理图如图5所示。

  利用单片机可实现比PLC频率更宽、精度更高的方波或PWM信号，便于进行系统数据测试。

  由于LM331进行F/V转换时存在一定非线 mA进行分段处理、补偿修正，则可提高系统的信号传输精度。本方案已在污浊度检测系统中得到了应用，控制效果良好。