實用的4～20mA輸入/0～5V輸出的I／V轉換電路

最簡單的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉換電路
    在與電流輸出的感測器介面的時候，為了把感測器(變送器)輸出的1-10mA或者4-20mA電流信號轉換成為電壓信號，往往都會在後級電路的最前端配置一個I/V轉換電路，圖1就是這種電路最簡單的應用示意圖。
 
    僅僅使用一隻I/V轉換取樣電阻，就可以把輸入電流轉換成為信號電壓，其取樣電阻可以按照Vin／I=R求出，Vin是單片機需要的滿度A／D信號電壓，I是輸入的最大信號電流。
    這種電路雖然簡單，但是卻不實用，首先，其實際意義是零點信號的時候，會有一個零點電流流過取樣電阻，如果按照4~20mA輸入電流轉換到最大5V電壓來分析，零點的時候恰好就是1V，這個1V在單片機資源足夠的時候，可以由單片機軟體去減掉它。可是這樣一來。其有用電壓就會剩下5-1=4V而不是5V了。由於單片機的A／D最大輸入電壓就是單片機的供電電壓，這個電壓通常就是5V，因此，處理這種簡單的輸入轉換電路時比較麻煩。為了達到A／D轉換的位數，就會導致晶元成本增加。

LM324組成的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉換電路
   解決上面問題的簡單方法是在單片機輸入之前配置一個由運算放大器組成的緩衝處理電路，見圖2。
 
    增加這級運算放大器可以起到對零點的處理會變得更加方便，無需耗用單片機的內部資源，尤其單片機是採用A／D介面來接受這種零點信號不為零電壓的輸入時，可以保證A/D轉換位數的資源能夠全部應用於有用信號上。
    以4～20mA 例，圖B中的RA0是電流取樣電阻，其值的大小主要受感測變送器供電電壓的制約，當前級採用24V供電時，RA0經常會使用500Ω的阻值，對應20mA 的時候，轉換電壓為10V，如果僅僅需要最大轉換電壓為5V，可以取RA0=250Ω，這時候，感測變送器的供電只要12V就夠用了。因為即使傳送距離達到1000米，RA0最多也就幾百Ω而已。
    同時，線路輸入與主電路的隔離作用，尤其是主電路為單片機系統的時候，這個隔離級還可以起到保護單片機系統的作用。
    圖2 採用的是廉價運放LM324，其對零點的處理是在反相輸入端上加入一個調整電壓，其大小恰好為輸入4mA時在RAO上的壓降。有了運算放大器，還使得 RAO的取值可以更加小，因為這時信號電壓不夠大的部分可以通過配置運放的放大倍數來補足。這樣，就可以真正把4～20mA電流轉換成為0～5V電壓了。
    使用運算放大器也會帶來一些麻煩，尤其在注重低成本的時候，選擇的運放往往是最最廉價的，運放的失調與漂移，以及因為運放的供電與單片機電路供電的穩定性，電源電壓是否可以保證足夠穩定，運放的輸入阻抗是否對信號有分流影響，以及運放是否在整個信號範圍內放大特性平坦，如此等等，造成這種廉價電路的實際效果不如人意。
    而最大的不如人意之處還是在零點抵消電路上，隨著信號電流的變化，運放的反相端的電壓總是會與零點調整電壓發生矛盾，就是這個零點電壓也在隨著運放輸出的變化而變化，只不過由於有了信號有用電壓的存在，而在結果中不容易區分而已。這種現象最容易造成非線性加大。雖然可以在單片機里採用軟體校正來糾正，但是，就具體措施而言，這樣做需要增加編程人員不少的工作量，而且需要多點採集數據來應對。

OP07組成的4－20mA輸入/5V輸出的I/V轉換電路
    圖3電路是一種被推薦使用的較好線路，首先，對運放的供電採用了由DIP封裝的TL431組成的高精度穩壓電路，這種TL431採用DIP8封裝，耗散功率達到1W，更改供電電壓只需更換分壓電阻就可以輕易辦到。其次，運算放大器選擇使用的是高精度低失調的OP07，其參數指標大大優於普通廉價運放。最為關鍵的是在對零點信號的處理上，可以保證輸入4mA的時候，運放ICC的輸出電壓等於零。
 
    分析一下這部分電路的工作原理：運放ICD的同相輸入端電壓由經過TIA31穩壓后的負電源提供，它通過R15與R14的分壓，取R14上的電壓與R10 上在4mA時的電壓一樣，然後，經過運放的緩衝，從運放輸出接有一隻PNP型三極體用於擴展輸出能力，實際這是一個典型的運算放大器穩壓電源，其輸出將跟隨著運放同相端的電壓，可以從接近零的電壓起調。
    R10就是4~20mA的I/V轉換電阻，按照上述道理，由於運放的作用，這個電阻的最小取值可以很小，電阻越小越能減輕前方感測變送器的供電要求。
    正是考慮到感測變送器屬於一種遠傳信號的使用環境，為了防止引入干擾信號，加有輸入濾波電容器C0和兩隻1N4148二極體對輸入信號可能出現的危險電壓進行保護。
例如：
    取R10=25Ω，4mA時，其壓降=0.1V，把ICD的同相端輸入電壓配置為負的0.1V，這樣，輸入信號的0.1V與這個I／V配置的負0.1V恰好互相抵消，ICC輸出將是零電壓。隨著輸入電流的增大，如果輸入電流是5mA，I/V轉換電壓將是0.125V……如果輸入電流是20mA，I／V取樣電壓就是500mV。這樣，我們可以把這個電壓放大10倍得到5V滿度輸出，或者放大20倍得到10V滿度輸出。為了方便工程上的工作方便，減少同時手續，對R10、R15、R14、R01、R02等重要電阻，必須選擇其精度0.1％的E96分度的金屬膜電阻，其溫度漂移參數最好能夠不大於50ppm。
    許多感測器變送器輸入標註著4～20mA的輸出指標，可是，在實際上，這些參數都是不夠精確的，包括一些進口感測交送器，實際測試零點電流有誤差高達18％的，即標稱的4mA變成了3.3mA或4.7mA，這時候，就需要進行零點調整。在零點調整的時候，需要注意，R10與R14原來是1：4的關係，是因為它們流過的電流恰好是4：l的關係。因此，如果需要調整零點電壓的時候，千萬不要再動R10與R14，而應該在零點調整時更改R15，在滿度調整時更改 R01。
    在工程上，人們往往會採取比較快捷的工程應用方法而不是理論推導來完成任務，因為在選擇元器件時，就往往無法按照計算好的數值去購買，只能從標準化生產的品種裡頭去選擇搭配，而且，在調試時，也不可能按照理論計算的數值去測量，尤其當計算結果帶著超過4位小數以上時．對所使用的儀錶就會要求很高，成為"雞蛋裡頭挑骨頭了"。我們可以通過一個實際例子來說明這種電路的調試過程。
    首先，必須把實際的感測交送器拿到手並且進行實際的測量，例如測量到的數據為：零點電流=4.25mA，滿度電流=20.5mA。然後，根據最大輸入電流的實際數值來求出最大輸入電壓：20.5mA時R10上的電壓就是：20.5×25=512.5mV，其次求出零點電壓：4.25×25=106.25mV。
    完成上面的簡單計算后，接著，對電路的參數進行調整，零點的時候調整R15，滿度的時候調整R01。按照說明提到過得，ICD的同相輸入電壓等於零點時R10上的電壓，可以求出：R15=(2500-106.25)／(106.25／100)=2.25KΩ。R01=[5000／(512.5-106.25)-1]×1=11.3l等於(5000是滿度輸出電壓，512.5是滿度輸入電壓，106.25是零點輸入電壓，-1是因為同相放大器會自然+1，-1是因為R02=1KΩ)。
    驗算一下：
    零點電流輸入時，輸入電壓為：4.25×25=(2.5×100)／(225+100)，結果：106.25=106.4，誤差：0.0014。滿度電流輸入時的滿度輸出電壓：(20.5×25-106.4)×(1 1.31／1+1)=4999.09，誤差：0.00018。
    上面的計算和對電阻的取值都省略了小數點后多於3位的數字，因為實用中已經不夠現實了。就目前的數值而言，在實際應用中也可以滿足許多較高精度測量的要求了。

提示：

1. 運算放大器OP-07本身在零電壓輸而輸出不為零時，可以在其1PN8P上連接微調電位器進行靜態零點調整，也可以在零點電流輸入時一併處理。
2. 由ICA和ICB組成的高精度穩壓電源，其輸出電壓應該大於主電路要求的滿度輸入電壓至少3V以上，這時候，不能使用T902小功率封裝的TL431來替換本電路DIP8封裝的TL431。
3. 當需要本電路處理其他非4~20mA輸入的信號時，可以去掉R10，這時候，利用OP-07的優良性能和供電電源的高精度，作為通用放大器來使用。也是非常理想的。