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4-20ma--0-5V转换电路

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介绍了4-20ma电流源到0-5V的单片机采样电路的转换

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4-20mA/0-5V转换电路讨论专题 作者:佚名 来源:本站整理 发布时间:2009-11-20 16:36:11 为了满足模拟前端设计的需要,本专区特此推出模拟前端设计应用专题进行讨论。希望模拟高手或有经验的工程师们进来一起讨论和分享设计心得。这只是我们微控技术论坛的模拟前端一个新的开端,也是新的一个尝试。同时我们也会结合MSP430单片机、ADC前端电路一起结合讨论。 以下是我们开始的第一个专题:<<关于4-20mA/0-5V转换电路>>,大家可以就这个话题发表你的成功设计经历和成功硬件电路....。 引言<<4~20mA传感器数据处理新途径>> 秦严定 迟文焕 在单片机控制的许多应用场合,都要使用传感器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号,如压力传感器、温度传感器、流量传感器等。早期的传感器大多为电压输出型,即将测量信号转换为0-5V电压输出,通过模拟数字转换电路转换为数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合,电压输出型传感器的使用受到了限制,暴露了抗干扰能力较差等缺点,而电流输出型传感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。 电压输出型压力传感器抗干扰能力差,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分,使单片机产生误判断,控制出现错误,严重时还会损坏设备。 如测压范围为以0~35Mpa的输出压力传感器为例进行叙述。对于输出0~20mA的传感器0mA电流对应0MPa压力值,输出4~20mA的传感器4mA电流对应0MPa压力值,两类传感器的20mA电流都对应35MPa压力值。对于输出0~20mA的传感器,在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻,通过A/D转换器直接将电阻上的电压转换为数字信号即可,电路调试及数据处理都比较简单。对于输出4~20mA的传感器,电路调试及数据处理上都比较烦琐。但这种传感器能够在传感器线路不通时,通过是否能检测到正常范围内的电流,判断电路是否出现故障,因此使用更为普遍。 关于4~20mA电流变送器的工业控制应用,摘自<<世界电子元器件>> 德州仪器公司提供 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:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,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。 4~20mA电流环有两种类型:二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时,一般采用三线制变送器,这里XTR位于监控的系统端,由系统直接向XTR供电,供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端,由于现场供电问题的存在,一般是接收端利用4~20mA的电流环向远端的XTR供电,通过4~20mA来反映信号的大小。 4~20mA产品的典型应用是传感和测量应用,见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4~20mA的电流信号,TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等,所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4~20mA的信号。 电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中,如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ,那么无论从激励电压端或差分输出端看进去,它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候,它的电桥是平衡的,输出电压为0。当施加压力时,由于电桥失衡,会产生一个差分电压,差分电压便会反映这个压力的大小。 满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标,现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性,它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的,满度和色调都具有这种性质。 4~20mA的传感器信号调理解决方案 4~20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成,变送器一般位于现场端、传感器端或模块端,而接收器一般在PLC和计算机端,它一般在控制器内。 二线制4~20mA电路应用,其工作电源和信号共用一根导线,工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰,采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题:确定所用接收器的数量,当有多个接收器时,它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。 二线制方案设计需要考虑: (1)电路环中的接收器的数量:更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压; (2)变送器所必需的工作电压要有一定的余量; (3)决定传感器的激励方法是电压还是电流。 图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4~20mA信号的精密的信号转换器,它包含有5V电压的稳压电路,可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。 三线制4~20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源,为避免50/60Hz的工频干扰,采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑: (1)电流环路中的接收器的数量; (2)更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压; (3)保证变送器所必需的工作电压,并应该有一定的余量。 TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示,图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器,它可以将0~5V或0~10V的输入电压直接转换到4~20mA、0~20mA、5~25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络,以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。 4~20mA的校正 传统的4~20mA校正,要求特殊的夹具固定,需要特别的激光或手动电阻器调整,而调整是相互影响的,需要一个测试、调整,再测试、再调整的过程,调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。 现代的数字化4~20mA校正,它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整;可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整;可以有无限的调整次数,并且有很好的分辨率和较宽的调整范围;调整过程中不存在相互影响;电子器件和传感器可以很方便地调整。 XTR108是TI提供的校正4~20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考,它提供RTD的非线性校正,不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有: (1)具有传感器的线性化电路; (2)数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置,通过SPI接口可直接编程EEPROM; (3)自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26~400倍; (4)RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A; (5)校正参数存储在外接的EEPROM中; (6)可编程的过量程和欠量程的输出。 此外,TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案--PGA309,它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正,由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性,并将输出电压信号转换成4~20mA的输出。 DC,2007-01-08 11:11:58 以下是从网上转载几个4-20mA/0-5V转换电路,供各位参考: 使用LM35作为传感器的温度_电压转换电路,量程范围-9.9℃~89.9℃,对应输出 0~5.000V,专门给单片机 A/D转换输入接口应用。 压力变送器配套的单片机接口转换电路: 它把压力变送器来的 4~20mA 信号线性地转换成为 0~5V 的输出电压,以便提供给带 A/D 转换的任何单片机作为输入信号。(以上电路是转载于/www.bjjl.com.cn) ------------------------------------------------------------------------------ 问答选编 问:电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不 同? 答:霍尔传感器是传感器件,而电流变送器是将传 感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信 号进行传输,因此它们两个一个是传感器,另一 个是电流变送器。 问:4~20mA信号是否存在温漂?如何解决? 答:实际上,4~20mA信号内部是用集成电路芯片来 制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到 放大器、电压到电流的转换时,会存在温漂,但 这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的, 因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作 为前置放大,同时PGA309中还有温度的校准,它 是每采集一个温度点来查表,进行温度满度或色 调电压的校准,从而解决温度的漂移问题。 问:应该采取哪些措施实现4~20mA变送器的信号 隔离? 答:对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法: 一是变送器端的隔离,一是接收端的隔离。现 在若有24V电压供给一个XTR115的芯片,XTR115 内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电 压输出,对这个5V的稳压电压进行展波,经过一 个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电 源,然后再把模拟信号转换成数字信号,再经过 一个隔离以后再提供给XTR115,再进行长线传 输, 这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路 里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔 离的话,也可以在接收端加一个RCV420将电流 转换成电压,再经过一个ISO124隔离放大器进行 隔离,同时再经过一个DC/AC转换器向电路进 行退电供电,这样也能完成对4~20mA变送器 信号的隔离。 问:变送器传输过来的信号应该怎么处理?是不是 先要经过电流到电压的变化然后再到ADC?对 ADC的选择有什么特殊的考虑? 答:变送器传输的信号主要是一个电流信号,如果要  采集它,一般要经过电流到电压的转换,这个TI  有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选 择,主要根据对信号精度的要求来考虑。 问:接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信 号,在接收方式和信号处理上有何不同?要注 意些什么问题? 答:在接收方式上,如果是二线制4~20mA信号,由  接收端向SPI端提供电源,通过电源线经过4~20mA 信号线来提供电源。三线制4~20mA信号是由 发生端(SPI)来提供电源的,所以说它们提供的 电源是不同的,一个是由接收端而另一个是从远 端来提供电源的。 它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压 信号,然后再经过AD转换器,这时候就牵扯到 一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般 在工业上,它们会加一个推电器,就是在接收端 同时提供一个24V的电源,通过4~20mA电流线 向远端进行供电。 问:现在市场上的变送器是否有数字输出接口?比 如RS-485或者RS-232? 答:现在市场上的变送器通常用标准的485或232通 讯接口来传输,这个产品其实早在10年前就有 了,它们把现场的信号模拟成传感器的信号,直 接传数字量,然后经过485进行传输,这是比较 多的。如果你是用TI的芯片,比如MSC12XX,它 内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换 器及通信接口输出,如果用它来做的话,很容易 把它做成一个485或232通信接口的数字变送 器芯片。 问:在4~20mA变送器的信号传输过程中,如何有效 地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干 扰?在系统故障状态,是否具有事故信息追忆功 能? 答:如果有电磁干扰,首先说电磁的发射,当传感器 接入的时候,如果具有很高的输入阻抗的时候, 有可能产生电磁干扰,可以加一些电阻电容进行 滤波,TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大 家参考。过电压的时候,4~20mA的长线输出的 时候,可以借助36V的稳压块来进行过电压保 护,如果极性接反的时候,可以在输入回路里加 一个整流桥堆来对极性进行调整。 问:如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转 换?主要是精度方面,是否能给一个具体例子? 答:如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转 换时,TI有一个专用芯片RCV420,它里面采用的 是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运 算放大器和一个精密的基准电压器,即10V的基 准电压,这个10V基准电压大概是5个或10个 TTN的温度系数,用这个片子就可以很精确地 将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。 问:有没有串行接口出来就是4~20mA?最好能出来 0~20mA,类似于ADI的AD420,但AD420太贵, 而且外围东西太多。 答:也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个 XTR110,它是一个很廉价的电压到电流的转换, 前面或者用一个DA转换器,或者用一个PWM 的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过 一个电阻接到XTR115的输入端,这样就可以满 足HART协议来替换AD420,这时的成本应该是 很低的,应用也很方便。 问:使用4~20mA变送器时,是否需要通过控制器对 其进行编程? 答:TI变送器电流环有几类产品,有的可以通过控 制器进行编程校正,也有的可以通过模拟的、通 过外部设置来进行校正。 问:如何用PWM信号控制4~20mA电流? 答:用PWM信号控制4~20mA电流很常用,通常采 用一个单片机放在前面对传感器进行测量,测 量好后把模拟信号转换成数字信号,但是它内 部不包含DA转换器,它是用一个PWM信号来输 出。像TI的XTR115芯片,它包含一个典型电路: 把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA 的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即 可完成电路的控制。 问:是否有办法从4~20mA 线缆中取电,同时又不影  响模拟信号的转换和采集结果? 答:如果是二线制的时候,因为是通过电源来向远端 的SPI 芯片来进行供电的,若采用的是XTR115或 其他XTR芯片,可以把24V电源转换成一个稳压 电源的信号,一般都是5.1V的信号,使用5.1V的 信号对前面的芯片进行供电,这时候应该没有这 种问题。TI的XTR芯片专门考虑了这个问题, 所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前 面的电路供电,而不会影响模拟信号的转换和采 集结果。 DC,2007-01-08 11:12:10 留3楼 chenjun,2007-01-08 16:19:12 目前正做模拟前端电路,很有参考价值啊! 蓝色理想,2007-01-12 10:12:03 疑问1;还是不明白PWM信号怎么转换成4-20mA电流信号,有没有相应电路参考一下??? 疑问2:传感器输出信号比如电阻应变计的,它的零点输出有负的,比如(-0.5mV),这样的信号,ADC怎么采集.输出根据输入是要对应线性的 coreshao,2007-03-17 11:35:14 赞楼主 做毕业设计正需要这个 succesing,2007-05-25 12:42:55 看了你发起的关于模拟前端电路的设计话题,我现正在用430做此类设计,对I/V转换(4-20mA如何变成DA能接受的信号)和V/I转换(如何把电压变成4-20mA,驱动现场设备)的原理我不是很懂, 我在网上也查了不少资料,只有你的比较有参考价值,但我还是迷茫, 1、现在比较成熟的转换芯片是那款,还是RCV420和XTR115么? 2、还是不明白PWM信号怎么转换成4-20mA电流信号,有没有相应电路参考一下??? 3:传感器输出信号比如电阻应变计的,它的零点输出有负的,比如(-0.5mV),这样的信号,ADC怎么采集.输出根据输入是要对应线性的 4、如果方便能把一些实用资料发给我么? succesing@sohu.com 发些相关网站地址也可, 我现在不知道如何设计电路,主要对4-20mA电流不是很熟 5、如果不方便可在论坛里回复 http://www.microcontrol.cn/mcbbs/Announce/Announce.asp?BoardID=103&ID=8595 6、你曾经上传一个4-20mA的讲座,但那个在线讲座只能打开前6页,之后就断了 同时希望结交一起开发430应用的朋友我的QQ244398459 (现在晚上上线 cooi,2007-05-29 15:14:47 菜鸟正在用XTR115做PWM控制4-20mA电流的电路.不知道版主能不能提供一些相关的程序供参考呢? DC,2007-05-29 16:08:31 I ma sorry,我也没有这方面的例程,如果有我一定公开给大家. duruiss,2007-06-04 19:00:28 网上转载的哪个原理图没有看懂! 麻烦大虾讲解一下!!! brutal918,2007-06-04 19:20:09 这篇文章不错 kanghv,2007-06-05 00:17:48 我有一个过去做的4-20mA的例子,430F449芯片,AD421做4-20mA控制,两线制。出于对技术保密,不便公开详细资料,不好意思。 两线制4-20mA电路设计时,有几点需注意。 1、主电路在任何时候,用电流都最好不要超过3.5mA。 2、电路中如果有分时供电设计,在不同电路启动和停止时,尽量采用软开关,不要突然开关。不要以为我的供电不超过3.5mA,就不会对输出有影响。 3、电路中如果有分时供电设计,在不同电路启动时,尽可能多提前启动一会儿,让电路多稳定一会儿。 4、电源滤波电容很关键,省钱不在这儿,钽电容会给你省不少事。如果不是本安防爆电路,滤波电容大一点没坏处。可惜,我做的是本安电路,麻烦死了。 另外,4-20mA对应的多是1-5V,楼主为何介绍0-5V而不提1-5V?其实很简单,有专用的250欧姆电阻,转一下就是了。

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