高精度4-20mA恒流源电路的设计
STM32实现4-20mA压控恒流源电路
STM32实现4-20mA压控恒流源电路为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，在以往没有DAC模块的单片机系统，需要外加一主片DAC实现模拟量的控制，或者采用PWM来摸拟DA，但也带来温漂和长期稳定性问题。
在以STM32为中心的设备中，使用它自带的DAC即可非常方便的实现4-20mA的输出接口，具有精度高、稳定性好、漂移小以及编程方便等特点。
在STM32单片机系统中，100脚以下没有外接出VREF引脚，但这样使得DAC的参考端和VCC共用，带来较大误码差，为解决这一问题，可以使用廉价的TL431来解决供电问题，TL431典型温漂为30ppm，所以在一般应用中已非常足够。
选用两只低温漂电阻，调整输出使TL431的输出电压在3V-3.6V之间，它的并联稳压电流可达到30mA，正好能满足一般STM32核心的功耗需求。
利用TL431解决了供电问题，余下的就是4-20mA的转换电路，如下图：上图即为非常精确的转换电路，OPA333是一颗非常优异的单电源轨至轨运算放大器，其工作电压为2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV。
电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性。
DACOUT来自于STM32的DAC1或者DAC2输出，由C25进行数字噪场滤波之后进入运算，进行1:1缓冲，后经过Q2进行电流放大，在R7上形成检测电压，C17进行去抖动处理。
4-20mA信号由AN_OUT+/AN_OUT-之间输出。
上图中，负载中的电流在R7上形成压降，经运放反馈后得到Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，当Vdacout在400mV到2000mV之间变化时，可得到4-20mA的输出。
改变R7的大小，便可改变DACOUT的需求范围。
电路中，R2的基射极之间将有0.7V左右的偏压，所以Vb[MAX]=2V+0.7V=2.7V，这正好在OPA333的输出范围之内。
4到20mA模拟恒流环路信号发生器制作
4到20mA模拟恒流环路信号发生器制作一。
DH4-20的原理与测试：①静态零电平4mA调节范围测试条件：VCC=24V UIN=0V（静态）步骤：改变RP1使UIN=0V，改变RP2观察IOUT的最大值和最小值。
IOUT实测值（mA）RP2↓最小值3mA±0.3mA 2.790RP2↑最大值5mA±0.3mA 4.838②UIN-IOUT线性测试测试条件：VCC=24V RL=700Ω步骤：1.将RP1调至UIN=0V2将RP2调至IOUT=4.000mA3.改变RP1从0～5V的UIN电位UIN（V）IOUT（mA）实测值（mA）0 4.000 4.0021.2508.0007.9972.50012.000 11.9983.75016.000 16.0035.000 20.000 20.008③RL-VCC最大负载电阻与工作电压之间的关系测试条件：在上述②的测试条件UIN=5V，IOUT=20mA恒定状态下步骤：改变以下RL与VCC的对应关系，观察IOUT=20mA恒定状态RL（KΩ）VCC（V）实测值（mA）0 1020.0030.11220.0030.21420.0050.31620.0050.41820.0050.52020.0050.62220.0050.72420.0050.82620.0100.92820.0101.03020.0101.13220.010④满值20mA的恒流测试测试条件：VCC=24V IOUT=20.000mA步骤：在上述条件下，改变RL从0～0.7KΩ，观察满值20的恒定状态RL（KΩ）IOUT实测值（mA）0 20.0210.120.0200.220.0190.320.0170.420.0160.520.0150.620.0140.720.013二。
二线制4～20mA模拟恒流环路信号发生器制作三。
二线制4～20mA模拟恒流环路信号发生器制作指标要求以精度0.5级为例,二线制4～20mA模拟恒环路信号发生器执行标准：GB/T13850－1998；(1)基准要稳,４mA是对应的输入零位基准，基准不稳，谈何精度线性度，冷开机３分锺内４mA 的零位漂移变化不超过4.000mA0.5%以内;(即3.98-4.02mA),负载250Ω上的压降为0.995-1.005V，国外IC心片多用昂贵的能隙基准，温漂系数每度变化10ppm；(2)内电路总计消耗电流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流滤波放大恒流电路不因原边输入变化而消耗电流也随之变化，国外IC心片采用恒流供电；(3)当工作电压24.000V时,满量程20.000mA时,满量程20.000mA的读数不会因负载0-700Ω变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；(4)当满量程20.000mA时,负载250Ω时,满量程20.000mA的读数不会因工作电压15.000V-30.000V变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；(5)当原边过载时，输出电流不超过25.000mA+10%以内，否则PLC/DCS内供变送器用的24V工作电源和A/D输入箝位电路因功耗过大而损坏，另外变送器内的射随输出亦因功耗过大而损坏，无A/D输入箝位电路的更遭殃；(6)当工作电压24V接反时不得损坏变送器,必须有极性保护;(7)当两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时要箝位,不得损坏变送器；一般在两线之间并联1-2只TVS瞬态保护二极管 1.5KE可抑制每20秒间隔一次的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击,瞬态承受冲击功率1.5KW-3KW;(8)产品标示的线性度0.5％是绝对误差还是相对误差,可以按以下方法来辨别方可一目了然:符合下述指标是真的线性度0.5％.原边输入为零时输出４mＡ正负0.5%(3.98-4.02mA),负载250Ω上的压降为0.995-1.005V原边输入10％时输出5.6mＡ正负0.5%(5.572-5.628mA)负载250欧姆上的压降为1.393-1.407V原边输入25％时输出8mＡ正负0.5%(7.96-8.04mA)负载250Ω上的压降为1.990-2.010V原边输入50％时输出12mＡ正负0.5%(11.94-12.06mA)负载250Ω上的压降为2.985-3.015V原边输入75％时输出16mＡ正负0.5%(15.92-16.08mA)负载250Ω上的压降为3.980-4.020V原边输100％时输出20mＡ正负0.5%(19.90-20.10mA)负载250Ω上的压降为4.975-5.025V(9)原边输入过载时必须限流:原边输入过载大于125%时输出过流限制25mＡ+10%(25.00-27.50mA)负载250Ω上的压降为6.250-6.875V；(10)感应浪涌电压超过24V时有无箝位的辨别:在两线输出端口并一个交流50V指针式表头,用交流30-35V接两根线去瞬间碰一下两线输出端口,看有无箝位,箝位多少伏可一目了然啦;(11)有无极性保护的辨别:用指针式万用表Ω乘10K档正反测量两线输出端口,总有一次Ω阻值无限大,就有极性保护；(12)有无极输出电流长时间短路保护：原边输入100％时或过载大于125%-200%时，将负载250Ω短路，测量短路保护限制是否在25mＡ+10%；(13)工业级别和民用商用级别的辨别:工业级别工作温度范围是-25度到＋７０度，温漂系数是每度变化１００ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之一；民用商用级别工作温度范围是０度（或-10度）到＋７０度（或+50度）,温漂系数是每度变化25０ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之二点五；DH4～20mA模拟串口模块及其变送器电路设计中国科学院半导体所方舟公司李德辉摘要：二线制4～20mA模拟串口环路作为电流遥测技术标准，以其众多优点得到广泛应用，本文介绍的DH4～20型DH4～20mA模拟串口模块与无源交流隔离传感器的组合，不但解决了交流电流电压信号的二线制4～20mA环路遥测问题，而且成本低，性价比高。
4~20ma恒流电路
4～20ma恒流输出电路分析1，电路概括一些传感器仪表电路，变送器电路中经常用到4～20ma可调恒流输出，本文将为您提供一个廉价简洁的方案，其中包括电路使用说明，电路灵活变通方法，电路计算分析等详细介绍。
2，电路说明电路分为三部分：A，输入部分：输入部分由0～2ma信号源经过R5形成一个“0～1V”的可变电压然后送入前级放大电路U1A，这个输入跟后级电路成线性关系，当输入变化时输出可实现“4～20ma”输出的变化。
输入电路形式可根据实际应用调整变化，只要能产生线性变化的直流电压即可送入前级放大电路，得出的结果是一样的，B，前级放大电路：LM358有两个运算放大器通道，我们用一个作为前级放大电路，前级放大电路由“R7，R9”组成的负反馈比例放大电路，其主要的作用是将“0～1V”的电压放大到“0～11V”，至于为什么要放大到这个电压我们后面再介绍，此处先埋下来。
C，恒流电路恒流电路是由LM358组成的另一个负反馈放大器，其主要作用是在“特定的阻抗”上面产生“特定的电压”，当阻抗和电压固定，那么电流即为恒定。
在固定电阻上面产生固定的电压这也是恒流源设计的核心，掌握了这一点就可以灵活设计各种恒流电路。
通常运算放大器的输出能力很小，所以电路中的三极管Q1起到扩流的作用。
3，电路计算分析A，图中输入为“0～2ma”，根据运算放大器虚断的分析R1上面不过电流，所以“0～2ma”电流全部经过R5到地，设置输入的“0～2ma”为电流i。
得出“0<=V1<=1V”，公式参考如下：V=Iin5*1RB，根据运算放大器虚短可得V2=V1，即“0V<=V2<=1V”，公式如下：V=2V1C ， 根据运算放大器虚断，V2处无电流流入运放，即R7和R9的电流值相同，得出V3的电压为“0V<=V3<=11V ”，公式如下：92*)97(392)97(31R V R R V R V R R V i +=Þ=+=将B 公式带入上式，求出V3与V1的关系： 1*1191*)97(3V R V R R V =+=将A 式带入上式，求出V3与Iin 的关系：5**111*113R Iin V V ==D ， 根据运算放大器虚断，所以V4无电流流入运算放大器，我们设置V7为已知变量，则可以求出V4的电压，公式如下：34*)42()37(4V R R R V V V ++-=E ， 根据运算放大器虚断，所以V5无电流流入运算放大器，我们设置V8为已知变量，则可以求出V5的电压，公式如下：12*)1211(85R R R V V +=F ， 根据运算放大器虚短，所以有V4=V5，我们将“D ，E ”的公式带进去，然后解一下方程，公式如下：3*02.07812*)1211(834*)42()37(54V V V R R R V V R R R V V V V =-Þ+=++-Þ= G ， 我们前面有讲到恒流源的核心就是有固定的电压在固定的电阻上面就可以产生恒定的电流，那么我们R8-R7的差值恒定，那么是不是可以认为R10上面的电压恒定呢，而这个阻值也是不变的，所以就得出来恒流了，下面我们将公式补全：10)78(R V V i -=我们将F 公式中V8-V7的值带入上式，得出来输出电流和V3的关系：3*002.010)3*02.0(V R V i ==我们将C 式带入上式，得出输出电流i 与Iin 的关系：Iin R Iin i *115**11*002.0==即输出电流的范围为“0ma<= I <=22ma ”.4， 电路分析图中电路是应用在输入“0～2ma ”，输出“4～20ma ”的电路中，输入部分“0～20ma ”是线性变化可调的，所以输出电流也是线性变化可调整的，所以应用在变送器或者仪表电路中最为合适。
4-20mA输出电路讲解
4-20mA输出电路一、4-20mA电流环工作原理在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：1.由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；2.传输线的分布电阻会产生电压降；3.在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。
4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
对4－20mA电路的输出要求1）输出电流与输入电压成正比；2）输出电流为恒流源。
即当负载电阻在规定范围内变化时，输出电流保持不变；3）输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。
一般地，还要附加一个要求，即输入电压与输出电流共地。
二、4-20mA电路1. 7362405593由图可见，电路中的主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R 为负载电阻。
其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压V+输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上。
由运放性质可知：V-= Ie•Rw= (1+ k)Ib•Rw (k为BG9013的放大倍数)，流经负荷R 的电流Io即BG9013的集电极电流等于k•Ib。
令R1=R2，则有V+= V- = V0+Vm= (1+k)Ib•Rw= (1+1/k)Io•Rw，其中k>1所以Io≈ (Vo+Vin)/Rw其中：Io 为输出到负载的电流Vo 为偏置电压Vin为输入电压即待转换电压Rw为反馈电阻即三极管射极电流Ie流经的电位器或电阻由上述分析可见，输出电流Io的大小与输入电压Vin成正比(偏置电压和反馈电阻Rw为定值时)，而与负载电阻R的大小无关，说明电路良好的恒流性能。
STM32输出4-20mA电路
STM32实现4-20mA压控恒流源电路为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，在以往没有DAC模块的单片机系统，需要外加一主片DAC实现模拟量的控制，或者采用PWM来摸拟DA，但也带来温漂和长期稳定性问题。
在以STM32为中心的设备中，使用它自带的DAC即可非常方便的实现4-20mA的输出接口，具有精度高、稳定性好、漂移小以及编程方便等特点。
在STM32单片机系统中，100脚以下没有外接出VREF引脚，但这样使得DAC的参考端和VCC共用，带来较大误码差，为解决这一问题，可以使用廉价的TL431来解决供电问题，TL431典型温漂为30ppm，所以在一般应用中已非常足够。
选用两只低温漂电阻，调整输出使TL431的输出电压在3V-3.6V之间，它的并联稳压电流可达到30mA，正好能满足一般STM32核心的功耗需求。
利用TL431解决了供电问题，余下的就是4-20mA的转换电路，如下图：上图即为非常精确的转换电路，OPA333是一颗非常优异的单电源轨至轨运算放大器，其工作电压为 2.7-5.5V，其失调电压仅为10uV，实测最低输出为30uV，最高输出可达VCC-30uV。
电路组成压控恒流源，其关键在于OPA333这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性。
DACOUT来自于STM32的DAC1或者DAC2输出，由C25进行数字噪场滤波之后进入运算，进行1:1缓冲，后经过Q2进行电流放大，在R7上形成检测电压，C17进行去抖动处理。
4-20mA信号由AN_OUT+/AN_OUT-之间输出。
上图中，负载中的电流在R7上形成压降，经运放反馈后得到Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，当Vdacout在400mV到2000mV之间变化时，可得到4-20mA的输出。
改变R7的大小，便可改变DACOUT的需求范围。
电路中，R2的基射极之间将有0.7V左右的偏压，所以Vb[MAX]=2V+0.7V=2.7V，这正好在OPA333的输出范围之内。
两线制4-20mA变送器的电路设计
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
4-20mA变送器的电路设计
4-20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
1.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
这是两线制变送器的设计根本原则之一。
0~10V转换为4~20mA电路分析
0~10V转换为4~20mA电路分析信老师，您好！我是机械电子专业的学生，正在做“电流转换电路”的设计，0~10V 转换为4~20mA，我遇到了很大的问题，就是不会推导输入电压和输出电流的关系式，我附上了题目和相关的图，您能就以下两个思考题帮我分析一下么？然后给我回复。
我在中华工控网也给您回帖了！万分感谢，有机会来北京我请您吃饭，呵呵！[附题]简要说明：为提高抗干扰能力，模拟信号经常采用4~20mA电流信号进行远距离传输。
本电路的功能是将0~10V的输入电压信号ui转换成4~20mA的电流信号Io供长距离传输用。
思考题：1．电路中电位器W1、W2和W3的作用各是什么？怎样相互配合调整才能使输出范围为4~20mA。
2．图中第2级放大器的增益应如何计算？（难点）回答：1，首先说明，按照你提供的参数是不能正常工作的！2，N1在输入10V时会反相饱和导通。
原因是你在抄袭电路时，将R2，W1的阻值搞错了。
3，第1级N1是反相衰减是放大器，应该将输入的0～10V电压信号变成负0～1.6V的信号。
增益A=-(RF/Rf)UiRF=R2+W1=1.5KΩ+200ΩRf=R1=10KΩ此时A=-（1.6/10）Ui=0.16(0~10V)=0~1.64, 第2级N2是反相加法器，在接受前级输入的-0~1.6V同时与零点基准电压W2取来的-4V电压相加后，再与反馈电压VR11(0.4~2V)比较取得平衡，从而达到稳定输出电流的目的。
加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：Eo=-[Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Rf2)]式中Eo 输出电压Vi1 前级来的信号电压（-0～1.6V）Vi2 系统零点基准调节电压（-4V）RF 加法器反馈电阻（10KΩ+600Ω）Rf1 前级信号输入电阻（10KΩ）Rf2 基准调节电压信号的输入电阻（100KΩ）由于后一级电路要求，反相加法放大器是一个1：1的加法电路。
4到20mA模拟恒流环路信号发生器制作
4到20mA模拟恒流环路信号发生器制作一。
DH4-20的原理与测试：①静态零电平4mA调节范围测试条件：VCC=24V UIN=0V（静态）步骤：改变RP1使UIN=0V，改变RP2观察IOUT的最大值和最小值。
IOUT 实测值（mA）RP2↓最小值3mA±0.3mA 2.790RP2↑最大值5mA±0.3mA 4.838② UIN-IOUT线性测试测试条件：VCC=24V RL=700Ω步骤：1.将RP1调至UIN=0V2将RP2调至IOUT=4.000mA3.改变RP1从0～5V的UIN电位UIN （V） IOUT（mA）实测值（mA）0 4.000 4.0021.250 8.000 7.9972.500 12.000 11.9983.750 16.000 16.0035.000 20.000 20.008③RL-VCC最大负载电阻与工作电压之间的关系测试条件：在上述②的测试条件UIN=5V，IOUT=20mA恒定状态下步骤：改变以下RL与VCC的对应关系，观察IOUT=20mA恒定状态 RL（KΩ） VCC（V）实测值（mA）0 10 20.0030.1 12 20.0030.2 14 20.0050.3 16 20.0050.4 18 20.0050.5 20 20.0050.6 22 20.0050.7 24 20.0050.8 26 20.0100.9 28 20.0101.0 30 20.0101.1 32 20.010④满值20mA的恒流测试测试条件：VCC=24V IOUT=20.000mA步骤：在上述条件下，改变RL从0～0.7KΩ，观察满值20的恒定状态 RL（KΩ） IOUT实测值（mA）0 20.0210.1 20.0200.2 20.0190.3 20.0170.4 20.0160.5 20.0150.6 20.0140.7 20.013二。
二线制4～20mA模拟恒流环路信号发生器制作三。
4-20mA 变送器 电路 设计
4-20mA 变送器电路设计2009-11-27 10:074-20mA 变送器电路设计1 工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
1.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
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高精度4-20mA恒流源电路的设计
[摘要] 4-20mA电流输出,在远程智能工业控制中占有重要的地位。
本设计提出的高精度可编程恒流源系统,以STC89C52单片机、AD421数模转换器为核心,经分析、处理后,可实现高精度的恒流输出,以为工业设备校准提供精密参考信号。
[关键词] 4-20mA电流恒流源AD421 单片机高精度
1.引言
恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源,现代电子技术的广泛应用,促进了对恒流源的需求。
例如高精度恒流源在为智能仪器仪表的检测和为工业设计提供精密参考信号发挥了很好的作用。
本设计,提出了一种廉价的高精度可编程恒流源的设计方案,使用单片机作为系统的控制核心,通过16位电流输出型DA 转换器AD421输出电流信号。
在实际测试中,恒流输出精度表现出色,达到了设计得要求。
本设计具有如下优点:
(1)电流可以由用户自行调整,并通过液晶显示器与用户交互;
(2)经过软件校正后,电路线性相对较好, 精度可达到±1uA;
(3)电路简单, 容易实现;
(4)可用于对防爆有特殊要求的工业现场。
2.系统分析
4—20mA可编程恒流源的功能模块图如图1所示。
通过单片机给AD421提供数字信号,经AD421转换后输出4-20mA电流;由于AD421环流输出电路的模拟部分的影响,导致输出电流呈现一定的非线性,本设计通过软件对其进行了校准,使恒流源的精度达1uA;输出电流大小可由用户通过键盘自由设定,并通过液晶显示出来;且由于单片机和AD421之间通过光耦合实现了隔离,使其可用于对防爆有特殊要求的工业现场。
3.基于AD421的主硬件电路设计
AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器。
它由电流环路供电,16位数字信号以串行方式输入,4-20mA电流输出。
本质上来说,AD421提供了三个功能:将来自微处理器的数字函数变为模拟函数;用作环电流放大器;提供将环流作为能源的稳定的工作电压调节器。
以AD421为核心的主硬件电路的设
计如图2所示。
图2中,为实现与数字控制系统的隔离,AD421的三根串行接口与单片机的连接采用了光耦合。
4.软件设计
以单片机为核心,软件设计完成以下任务:
(1)根据用户设定的电流输出值,完成键盘扫描及液晶显示;
(2)对AD421的输出控制;
(3)由于AD421环流输出电路的模拟部分的影响,导致输出电流呈现一定的非线性。
经测试发现,电流每提高0.5mA,输出电流则偏大1uA,在软件中分段进行校正;
(4)将经软件校正过的电流输出值进行液晶显示。
根据以上任务得软件流程图如图3所示。
参考文献:
[1] 蒋鹏.高精度4-20mA可编程恒流源[D].西安:西安外事学院,2009.
[2] 荆海霞.AD421在热电偶测温系统中的应用[J].科技信息,2008.35.
[3] Analog Devices,Inc.AD421:Loop-Powered 4-20mA DAC,Data Sheet.
[4] 李广第,朱月秀,冷祖祁.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[5] 周琳勃.热电偶K分度线性化[D].西安:西安外事学院,2008.
主要从事电子线路、信号与系统、数据融合方面的教学与科研工作。