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电流模拟量输出4-20mA电路设计方案

2018-03-05 17:37:38 无锡矽控电子科技有限公司 阅读

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:

  4-20mA电流模拟量输出

  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。电路中R14做为输出端的限流电流,使得输出端的最大输出电流Imax=Vcc/(R7+R14),若Vcc取6V,则Imax=6V/200
O=30mA,若没有R14,则最大电流可能有60mA,这时R7上的耗散功率为0.06*0.06*100=0.36W,若选用0805贴片电阻,将导致R7烧坏,或者由于温度升高太严重导致R7阻值变化太大输出引起较大偏差。加入R14之后,R7上的最大耗散功率为:0.03*0.03*100=0.09W,此时在正常的范围之内。

  电路中R14不可省去,C17不可省去,由于外负载可能的微小干扰或波动将导致OPA333组成的深度负反馈电路形成振荡,使输出电流波动,加入C17能抑制这种波动,使输出更稳定,但是C17的值不宜过大。

  使用STM32编程应注意,其内部不应当开DAC缓冲,因以上电路已经为一个高输入阻抗的缓冲电路。由STM32内部缓冲电路将损失掉输出线性度。




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