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STM32+运算放大器实现VI转换，4mA-20mA发送器

2014-4-18 14:07:00 5126

转http://www.amobbs.com/thread-5543399-1-1.html

大家可能会非常熟悉RS232，RS485，CAN等工业上常用的总线，他们都是传输数字信号的方式。那么，我们用什么方式来传输模拟信号呢？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，这些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。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，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。

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，所以现在基本上将四线制变送器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，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，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，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下高效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要）。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。

因为项目上的要求，故我设计了一个VI转换器（感谢实验室的小杜大力协助），输入0-3.3v，输出4mA-20mA。运放LM358，供电+12v。本人只是实现了这样一个功能，对其内部深入的原理也没有深究，恳请指正。

因为R32=R33,流过R27的电流为I1=(VDA_signeg-0.5*Vma_OUT)/R27,
假设运放U4A的输出电压为V1,因为R25=R27,则V1=0.5*Vma_OUT-R25*I1=0.5*Vma_OUT-(VDA_signeg-0.5*Vma_OUT)
=Vma_OUT-VDA_signeg,
则输出电流IOUT=(V1-Vma_OUT)/R28//R30=(-VDA_signeg)

则输出电流IOUT=(V1-Vma_OUT)/R28//R30=(-VDA_signeg)/R28//R30

STM32的DAC需要配置为缓冲输出，否则精度会很差的。最好在VI电路前面加一个缓冲级，防止VI电路异常后高于3.3V的电压串入STM32。
VI电路中的运放型号和电阻精度温飘啥的，要根据需求精度做出选型。
12V的供电电压，使得电流采样电阻不得大于450欧，否则电流输出达不到20mA

评论
1、电路结构不错，学习了。
2、目前的取值还达不到20mA，不考虑公差，只有18.3mA，没有计算错的话。
3、12V供电确实有点低了。电源轨减掉至少1.5V，220R电阻上至少3.3V，单个负载5V，余量不超过2V。还要考虑电缆线阻。另外，一般都设计为可以串联两个负载的。
4、358直接扇出20mA，不知道线性咋样。
5、防爆的问题，第一，不能但看电流大小，第二，也不能光看电压大小。随便看看防爆标准就知道了。电压低，电流几安培都可以，电流小，电压50V也没有问题。当然还要看电容量，电感量什么。

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14条评论 发表评论只看该作者

Jack · 2014-4-18 14:18:44 沙发不错的文章，感谢LZ分享！

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lyh1987a · 2014-4-26 01:27:16 板凳不错的文章!!!!!!!!

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kirtt · 2014-4-27 08:07:05 4^# 不错的文章，感谢LZ分享

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Jay · 2014-4-28 11:10:08 5^# 感谢分享，有图有真相

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734832 · 2014-5-19 16:47:30 6^# 楼主威武想楼主学习

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蒋元彬 · 2014-9-25 08:43:42 7^# 好东西，借鉴了～～～～～

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只为更强 · 2014-9-26 07:59:31 8^# 厉害啊

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toyaly · 2014-12-12 13:03:52 9^# 不错，学习了，谢谢

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shuofeng2014 · 2014-12-23 14:48:51 10^# 反向放大器的输出是这样的吧： V1=-(R25/R27)VDA_signal 这个公式也成立吗：V1=0.5Vma_OUT-R25I1

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小伟1993 · 2014-12-23 16:18:32 11^# 呵呵、、、、、、、、、、

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陳正和 · 2015-7-13 15:21:56 12^# 感谢楼主分享,学习了，谢谢

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liuruoshui · 2015-7-14 08:05:44 13^# 谢谢楼主的资料！

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王者归来120402 · 2015-7-30 20:06:58 14^# 不错，很好，谢谢楼主

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landybatistaa · 2015-10-25 10:37:49 15^# 学习了，谢谢！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！

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