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解密:如何把1V~5V信號轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出?

發(fā)布時間:2015-09-07 責任編輯:echolady

【導讀】連接電流環(huán)路電源與檢測電路的常用方法就是模擬接口。模擬接口可以吧電壓信號從1V~5V信號轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出,這也是本文即將講述的重要設計目標。本文就揭幕了如何把1V~5V信號轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出

盡管長久以來人們一直預測,4mA至20mA電流環(huán)路將消失,但是這種模擬接口仍然是連接電流環(huán)路電源與檢測電路的最常見方法。這種接口需要將電壓信號(典型值為1V至5V)轉(zhuǎn)換為4mA至20mA的輸出。嚴格的準確度要求決定,必須使用昂貴的精密電阻器或微調(diào)電位器,來校準較不精密器件的初始誤差,滿足設計目標要求。在今天以自動測試設備為主導和表面貼裝型生產(chǎn)環(huán)境中,這兩種技術都不是最佳方法。獲得采用表面貼裝封裝的精密電阻器很難,微調(diào)電位器又需要人工干預,而這種要求與生產(chǎn)環(huán)境是不相容的。

凌力爾特的LT5400四匹配電阻器網(wǎng)絡幫助解決了這些問題,該網(wǎng)絡采用一種簡便的電路,不需要微調(diào),但實現(xiàn)了小于0.2%的整體誤差(圖1)。該電路采用兩級放大器,利用了LT5400獨特的匹配特性。第一級放大器將典型值為1V至5V的輸出(通常來自DAC)加到運算放大器IC1A的非反相輸入。這個電壓通過FETQ2將通過R1的電流準確地設定為VIN/R1。相同的電流通過R2拉低,因此R2底端的電壓為24V環(huán)路電源電壓減去輸入電壓。

這部分電路有3個主要誤差源:R1和R2的匹配,IC1A的失調(diào)電壓,以及Q2的泄漏電流。R1和R2的準確值并不重要,但是它們必須相互準確匹配。LT5400A級版本以±0.01%的誤差實現(xiàn)了這一目標。LT1490A在0℃至70℃之間的失調(diào)電壓不到700μV。這個電壓在輸入電壓為1V時產(chǎn)生的誤差為0.07%。NDS7002A的泄漏電流為10nA,盡管其數(shù)值通常小得多。這個泄漏電流代表0.001%的誤差。

第二級靠拉動通過Q1的電流,保持R3上的電壓等于R2上的電壓。因為R2上的電壓等于輸入電壓,所以通過Q1的電流準確地等于輸入電壓除以R3。通過給R3并聯(lián)一個精確的250Ω分流電阻,該電流將準確跟蹤輸入電壓。

第二級的誤差源是R3的值、IC1R的失調(diào)電壓和Q1的泄漏電流。電阻器R3直接設定輸出電流,因此其值對于該電路的精確度至關重要。這個電路利用常用的250Ω并聯(lián)電阻完成電流環(huán)路。圖1中的RiedonSF-2器件的初始準確度為0.1%,溫度漂移很低。與第一級的情形類似,失調(diào)電壓產(chǎn)生不超過0.07%的誤差。Q1的泄漏電流低于100nA,所產(chǎn)生的最大誤差為0.0025%。

沒有任何微調(diào)時,總輸出誤差好于0.2%。電流檢測電阻器R3是主要的誤差源。如果使用一個更高質(zhì)量的器件(例如VishayPLT系列器件),那么可以實現(xiàn)0.1%的準確度。電流環(huán)路輸出在使用中受到相當大的應力。從輸出到24V環(huán)路電源和地之間的二極管D1和D2幫助保護Q1;R6提供一定的隔離。通過提高R6的值,并在輸出端以犧牲一些符合條件的電壓作為代價,可以實現(xiàn)更高的隔離度。如果最高輸出電壓要求低于10V,那么可以將R6的值提高到100Ω,針對輸出應力提供更高的隔離度。如果設計方案需要增強保護,那么可以給輸出加上一個瞬態(tài)電壓抑制器,當然這么做會由于泄漏電流而導致輸出準確度有一定的損失。

這一設計方案僅使用了LT5400封裝中4個匹配電阻器中的兩個。還可以將另外兩個電阻器用于其他電路功能(例如精確的反相器),或者另一個4mA至20mA轉(zhuǎn)換器。另外,還可以引入其他電阻器與R1和R2并聯(lián)。這種方法可降低電阻器產(chǎn)生的統(tǒng)計誤差,降幅為2的平方根。

解密:如何把1V~5V信號轉(zhuǎn)換為4mA~20mA輸出?
圖1:精確匹配的電阻器提供準確的電壓至電流轉(zhuǎn)換

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