一种基于频率/电流转换的4～20 mA 电路设计

2015-08-26庄志红

电子设计工程 2015年22期

黄伟，庄志红

（常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州 213002）

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能力而被广泛用于工业仪表信号的输出[1]。

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）[2]。因此研究和应用4－20 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，都具有非常大的实用价值。

1 4～20 mA 电路实现方案

1.1 专用芯片AD421 方案

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；采用标准三线串行接口，最高速率达10 Mbit／s；ΣΔDAC 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[3]。

1.2 数/模转换+压控恒流转换方案

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[4]，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。

1.3 F/V+V/I 即F/I 方案

图2 DAC0832 输出电流典型应用Fig. 2 Typical output current application of DAC0832

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。

图3 F/ I 结构图Fig. 3 Structure diagram of F/I

方案优点：频率信号可以方便实现光耦隔离，从而提高整个系统的抗干扰能力；对控制器要求更宽。缺点：转换速度相对较慢。

2 F/I 工作原理及分析

2.1 F/V 转换电路

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，最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1 Hz 时尚有较好的线性[5]；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。

图4 F/V 原理图Fig. 4 Schematic diagram of F/V

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。