4~20mA轉0~5V的I/V轉換電路設計(一)

【任務】4~20mA利于工業(yè)現(xiàn)場信號的遠程無衰減抗干擾傳輸，但該電流信號須轉換為電壓信號并經過A/D轉換才便于MCU處理。試設計一個4~20mA轉0~5V的I/V電路。

【構思】將電流信號轉換為電壓信號，最簡單直接的辦法是使用取樣電阻，即讓4~20mA經過一個電阻形成電壓，這個電阻可以取5V/20mA=250Ω（取樣電阻Rs），為使轉換精度足夠高，使用1%的精密電阻，標準電阻系列中最接近250Ω的電阻是249Ω 1%，故取樣電阻Rs=249Ω（精度1%）。如下圖：

上面的I/V轉換電路存在兩個問題：一、Ui的范圍為249*(4~20mA)，約為1~5V，這不符合0~5V的設計要求；二、Ii與Ui沒有高阻抗隔離，易受到Ui之后負載的干擾，穩(wěn)定性很差。

鑒于上面電路的缺點，Ii與Ui之間必須加入高阻抗電路，而且為提升信號轉換的穩(wěn)定性，必須加入負反饋環(huán)節(jié)。高輸入阻抗，負反饋環(huán)節(jié)，這使人想到基于運放的放大電路。為使4mA與0V對應，我們可構造函數(shù)關系：Uo=k*(Ii-4)。當Ii=4mA時，Uo=0V；為使Ii=20mA時，Uo=5V，必須使系數(shù)k=5/(20-4)=5/16，所以Uo=(5/16)*(Ii-4)=0.3125Ii-1.25，上式右邊分成兩部分0.3125Ii和-1.25，這使人分別聯(lián)想到同相比例放大器和減法器。首先構造同相比例放大器（這里我使用超低失調的op07運放，雙電源±15V供電，此電源的設計略）：

上面的電路實現(xiàn)了三個目標：1.高阻隔離了輸入信號Ii與輸出信號Uo，使Uo所接負載不會直接干擾Ii；2.Rf形成負反饋環(huán)節(jié)，當Ii確定時，Uo就確定了。但如果Uo因為后級電路的擾動而減小，這是送給運放2腳（反相端）的電壓減小，及負反饋量減小，那么將使運放得輸出增大，于是一降一升恢復了Uo的值，從而穩(wěn)定了Ii與Uo的嚴格對應關系。到此，我們實現(xiàn)了0.3125Ii的可能電路結構。

接著我們來實現(xiàn)-1.25V的部分：既然輸入Ii從同相端輸入，那么負電壓信號-1.25V必然要從反相端輸入，而1.25V的電壓可通過+15V電壓分壓得到。于是必然得到下面的電路：

對上面的電路稍作分析，發(fā)現(xiàn)存在一個嚴重的問題：Ii*Rs給運放的2腳和3腳確定一個電壓（此電壓可變），+15V通過R3、R4分壓給定運放2腳一個電壓（此電壓是固定值），顯然一個變化的電壓不可能始終等于一個固定的電壓。所以上面的電路需要改進：既然不允許這兩個電壓相等，那就在二者之間插入一個電阻隔離開吧。如下圖中的電阻R5：

上面的電路是否能實現(xiàn)設計意圖，湊出Uo=0.3125Ii-1.25的關系，下篇我們會進行試算。如果試算成功，將精算元件參數(shù)；如果試算表明電路結構還需改進，那就繼續(xù)探索改進電路結構。

（未完待續(xù)）