一種基於頻率/電流轉換的4～20 mA電路設計

摘要：探討了3種實現4～20 mA電路的方案，比較了其優缺點;重點介紹了利用LM331實現頻率/電壓轉換;再利用運放和三極體構成恆流電路，將電壓轉換成電流;實現4～20 mA輸出的頻率/電流轉換的工作原理，並且給出了具體器件參數和控制程序，驗證了相關數據。本電路簡單、實用，成本低廉，可廣泛應用於單片機、PLC等控制系統中。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308271.htm

在工業現場，電壓輸出信號通過傳輸線實現信號傳輸時，由於傳輸線會受到噪聲的幹擾、分布電阻產生電壓下降等原因，電壓信號傳輸受到很大限制;而電流由於對噪聲不敏感，所以電流輸出信號因其較高的抗幹擾能力而被廣泛用於工業儀表信號的輸出。

4～20 mA電流環用4 mA表示零信號，用20 mA表示信號的滿刻度，而低於4 mA或高於20 mA的信號用於表示異常，因而很容易區分環路斷路(0 mA，故障狀態)與傳感器的零輸出(4 mA)。因此研究和應用4—20 mA電路，無論是作為傳感器信號遠程傳輸，還是微機的遠程控制，都具有非常大的實用價值。

1 4～20 mA電路實現方案

1.1 專用晶片AD421方案

AD421是ADI公司生產的一款環路供電型、16腳封裝高性能4～20 mA數，模轉換器;採用標準三線串行接口，最高速率達10 Mbit/s;∑△DAC結構，可實現16位解析度，其積分線性誤差為±0.001%，增益誤差為±0.2%;其典型應用如圖1所示。

方案優點：能直接產生所需4～20 mA電流，精度高。缺點：晶片價格昂貴，其中MOS管、器件參數要求高，應用工藝複雜，電流的環路必須是浮地，否則電流環路將無法形成。

1.2 數/模轉換+壓控恆流轉換方案

單片機應用系統中，模擬量輸出的典型方案是利用數/模轉換晶片，一般往往選擇並行的DAC0832作D/A轉換器，但常用D/A晶片直接輸出的都是電壓信號，需進行V/I變換，才能得到所需的電流信號，其典型應用如圖2所示。

方案優點：轉換速度快、響應靈敏。缺點：與CPU間連線多，較適應於單片機應用系統;壓控恆流電路實現複雜。

1.3 F/N+V/I即F/I方案

單片機、PLC等控制設備，都可非常容易輸出不同頻率的方波信號，甚至PWM信號。利用F/V晶片將不同頻率轉換成相應的電壓，再利用V/I電路，將電壓轉換成電流，即可達到頻率/電流轉換4～20 mA電流輸出目的，其結構圖如圖3所示。

方案優點：頻率信號可以方便實現光耦隔離，從而提高整個系統的抗幹擾能力;對控制器要求更寬。缺點：轉換速度相對較慢。

2 F/I工作原理及分析

2.1 F/V轉換電路

LM331是美國NS公司生產的、含有溫度補償能隙基準電路的8腳集成晶片，能實現V/F變換和F/V變換，其動態範圍可達100 dB，最大非線性失真小於0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性;只需接入幾個外部元件就可實現頻/壓或壓/頻轉換，實現類似於D/A或A/D所需的功能。F/V轉換原理圖如圖4所示。

輸入頻率信號Fin經R1、C1組成的微分電路，加到LM331腳6(內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Fin下降沿經微分電路產生的負尖脈衝，控制內部電流源I對電容CL充電，充電時間由電源VCC通過電阻Rt對電容Ct構成的充電迴路的充電時間常數決定，此平均充電電流如式1所示。

CL平均充電電流=Ix(1.1RtCt)×Fin (1)

當電容Ct電壓達到內設2/3VCC時，在內部電路控制下，CL開始通過RL放電，其平均放電電流如式(2)所示。

CL平均放電電流=Vo/RL (2)

電阻R6和多圈電位器W1構成的總電阻Rs可改變內部電流源I值大小，其值如式(3)所示：

I=1.90/Rs (3)

當CL充放電平均電流平衡時，所得輸出電壓Vo如式(4)所示：

Vo=Fin×(2.09RLRtCt/Rt) (4)

可見，當電阻RL、Rt、Rs和電容Ct值一定時，輸出電壓Vo與輸入頻率Fin成線性關係。

2.2 V/I轉換電路

TLC2712是一款輸入阻抗達1012Ω、低功耗、單電源、雙路運算放大器，利用其可以大大提高系統控制精度，具體V/I轉換原理圖如圖5所示。

運放U1A構成同相緩衝器，目的是減小LM331輸出信號與後續V/I電路之間的影響，根據運放特性，其Vout等於Vo。

R10與E2構成低通濾波器，減小信號紋波對V/I轉換的影響;運放U1B與T1構成恆流電路，根據相關原理，可得：

∵Ve=Vref=Vout=Vo，Ie=Ve/Rref

∴Ie=Vo/Rref (5)

由於T1的基極電流極小，可忽略其影響，則輸出負載恆流電流Iout≈Ie。

將式(4)代入式(5)，最終實現F/I轉換公式為：

Iout=Finx(2.09 RL Rt Ct/Rs/Rref) (6)

若要提高控制精度，必須選擇高精度、高穩定性元器件;

同時合理選擇器件參數，則可實現4—20mA電流輸出。

3 實驗研究

利用單片機可實現比PLC頻率更寬、精度更高的方波或PWM信號，便於進行系統數據測試。

C8051F120是一款增強型51內核的單片機，其最高工作頻率達100 MHz，內集成一個可編程計數器陣列PCA，16位PCA可實現邊沿捕捉、軟體定時、高速輸出、PWM等工作方

式。

本系統利用PCA產生方波信號，變量PWM tounterH、PWM_tounterL存放頻率半周期數據，改變其值可控制方波的頻率，其中斷服務源程序如下，測試所得數據如表1所示;

測量數據顯示，符合信號傳輸4～20 mA電流範圍的要求。

4 結束語

由於LM331進行F/V轉換時存在一定非線性，但只要對4—20 mA進行分段處理、補償修正，則可提高系統的信號傳輸精度。本方案已在汙濁度檢測系統中得到了應用，控制效果良好。

本F/I方案不僅適用於單片機系統，還適用於PLC等控制器，成本低廉、應用靈活，並且可以方便進行電氣隔離，從而提高整個系統的可靠性。