深入分析了4-20mA的運放選型、A/D基準電壓對測量精度影響等問題。
其中,為了提供抗干擾能力,輸入至運放的信號需要改為差分輸入而不是單端輸入。
運放的作用
不少網(wǎng)友提到,既然運放只是用作電壓跟隨器,沒有放大作用,何不省了運放,直接將電壓輸入至處理器的A/D口。
不經(jīng)過電壓跟隨器的檢測電路
采用電壓跟隨器進行信號隔離的檢測電路
在我看來,除了沒有對信號進行放大之外,運放起到了下述作用:
01隔離以及阻抗變換
運放具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點。
利用這一特點,實現(xiàn)了輸入輸出的阻抗不會影響輸出以及輸入信號。
從4-20mA的輸入端口往里看,輸入阻抗的等效電路如下圖:
輸入阻抗的等效電路
輸入阻抗為:
其中,RIN為負載的輸入阻抗,而Ri是4-20mA信號的輸入阻抗;
對于直接輸入A/D口的電路,RIN為A/D口的輸入阻抗;
對于電壓跟隨器電路,RIN為運放的輸入阻抗;
在最近的文章中,我一直強調(diào),不隨器件、溫度、時間而變化的誤差可以通過標定消除。
因此,只需要考慮RIN的變化對Rin產(chǎn)生的變化而導致的誤差。
根據(jù)下圖的運放等效模型,可以算出同相端的共模輸入阻抗為。
運放等效模型
在節(jié)點1,運用節(jié)點電流法,流入節(jié)點的所有電路總和為0,有下式成立:
移項化簡得到:
得到電流i為:
同相端輸入阻抗為:
對于電壓跟隨器,R1=∞,R2=0得到:
其中rd為開環(huán)輸入電阻,r0為開環(huán)輸出電阻,α為開環(huán)電壓放大倍數(shù);
典型的rd是兆歐級甚至更大,而r0是百歐級。
從規(guī)格書上,我們知道:
TLV4333規(guī)格書
開環(huán)放大倍數(shù)α與開環(huán)增益AOL的關(guān)系為:
,典型值為125892.5412,最大值為3162277.66。
從而運放TLV4333的同相端輸入阻抗可以認為無窮大。
而從STM32F103的規(guī)格書中,可以查到I/O的輸入電流,如下:
輸入漏電流
從漏電流可以推算,其輸入電阻為MΩ級;
因此,運放的輸入電阻遠遠大于處理器IO口的輸入電阻;
因此,處理器I/O口的輸入電阻對電流采樣電阻的影響也遠大于運放的輸入電阻。
還需要注意的是,PCB的上面的漏電電阻也是會對精度產(chǎn)生影響的不可忽略的因素;
特別是在潮濕的環(huán)境中,而且PCB上堆積了灰塵,其漏電電阻可能低至百K級別。
遠小于運放輸入電阻,成為影響檢測精度的關(guān)鍵因素。
通過增加PCB走線之間的間隙,以及在PCB上噴三防漆,可以有效減少這一影響。
02濾波抗干擾
通過在運放端并聯(lián)濾波電容,構(gòu)成有源低通濾波器,可以有效濾除高頻干擾;
另外,在最近的文章中,因為考慮到在信號前級還有一個信號隔離器,所有運放采用了簡單的信號單端輸入;
其缺點是沒辦法有效過濾從4-20mA信號的共模信號干擾;
進一步對電路進行改造,如下:
從而將單端輸入改為差分輸入,格外注意的是,下述電路僅為示意,因不滿足隔離以及共模輸入電壓的要求,并不能實際用于產(chǎn)品中。
在下一篇文章中詳細分析參數(shù)取值以及抗干擾的原理。
差分輸入電路
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:4-20mA電流檢測的運放差分輸入設(shè)計
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