一種基于頻率/電流轉換的4～20 mA 電路設計

黃 偉， 莊志紅

（常州工學院 電子信息與電氣工程學院， 江蘇 常州 213002）

在工業現場， 電壓輸出信號通過傳輸線實現信號傳輸時，由于傳輸線會受到噪聲的干擾、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；而電流由于對噪聲不敏感，所以電流輸出信號因其較高的抗干擾能力而被廣泛用于工業儀表信號的輸出[1]。

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，而低于4 mA 或高于20 mA 的信號用于表示異常，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）[2]。 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 專用芯片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；采用標準三線串行接口，最高速率達10 Mbit／s；ΣΔDAC 結構，可實現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：芯片價格昂貴，其中MOS 管、器件參數要求高，應用工藝復雜，電流的環路必須是浮地，否則電流環路將無法形成[3]。

1.2 數/模轉換+壓控恒流轉換方案

單片機應用系統中，模擬量輸出的典型方案是利用數/模轉換芯片， 一般往往選擇并行的DAC0832 作D/A 轉換器[4]，但常用D/A 芯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，較適應于單片機應用系統；壓控恒流電路實現復雜。

1.3 F/V+V/I 即F/I 方案

圖2 DAC0832 輸出電流典型應用Fig. 2 Typical output current application of DAC0832

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 芯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。

圖3 F/ I 結構圖Fig. 3 Structure diagram of F/I

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干擾能力；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 腳集成芯片，能實現V/F 變換和F/V 變換，其動態范圍可達100 dB，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz 時尚有較好的線性[5]；只需接入幾個外部元件就可實現頻/壓或壓/頻轉換，實現類似于D/A 或A/D 所需的功能。F/V 轉換原理圖如圖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沖， 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構成的充電回路的充電時間常數決定，此平均充電電流如式1 所示。

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。

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：

當CL充放電平均電流平衡時， 所得輸出電壓Vo 如式（4）所示：

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成線性關系。

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。

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

運放U1A 構成同相緩沖器，目的是減小LM331 輸出信號與后續V/I 電路之間的影響，根據運放特性，其V out 等于V o。

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 構成恒流電路，根據相關原理，可得：

由于T1 的基極電流極小，可忽略其影響，則輸出負載恒流電流I out≈I e。

將式（4）代入式（5），最終實現F/I 轉換公式為：

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4－20 mA 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，便于進行系統數據測試。

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、軟件定時、高速輸出、PWM 等工作方式[6]。

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：

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 測試數據Tab. 1 Test data

測量數據顯示，符合信號傳輸4～20 mA 電流范圍的要求。

4 結束語

由于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。 本方案已在污濁度檢測系統中得到了應用，控制效果良好。

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

[1] 秦鍵， 譚延良. 基于PWM波的4－20mA轉換電路的設計與分析[J]. 信息技術，2014（5）:64－66.

[2] 武文斌， 陳先玉. 4－20 mA電流環串行通信接口抗干擾研究[J]. 現代電子技術，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轉換器實現4路4－20 mA信號發器的設計方法[J]. 丹東紡專學報，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單片機原理及應用[M]. 北京：國防工業出版社，2005.