1引言

當(dāng)前智能工業(yè)儀表普遍采用微處理器作為控制核心,微處理器與外圍傳感器(如壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器）進(jìn)行數(shù)字通信,通過DA轉(zhuǎn)換,將從傳感器采集來的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。而工業(yè)儀表的輸出信號(hào)大多為標(biāo)準(zhǔn)的4～20+A電流,這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路,能夠?qū)⑽⑻幚砥鬏敵龅碾妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20+A電流信號(hào)輸出,而v-1變換電路可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

1V-l變換電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的v-1變換電路具有簡(jiǎn)單、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn),僅由1個(gè)運(yùn)算放大器、1個(gè)NPN型晶體管以及5個(gè)電阻組成,大大降低了電路所需的元器件成本。v-1變換電路的輸入為微處理器DA轉(zhuǎn)換的輸出電壓,輸出為4～20+A環(huán)路電流。運(yùn)算放大器采用oPA333芯片,失調(diào)電壓僅為10uv,保證該v-1變換電路具有較高的轉(zhuǎn)換精度。該v-1變換電路原理圖如圖1所示。

運(yùn)算放大器的v-端接3v電壓的參考地,所以R7兩端的電壓與微處理器DAC的輸出電壓vdac幅值相等。同理,R5兩端的電壓就是TL431B的輸出電壓3v。根據(jù)歐姆定律,流經(jīng)R3的電流可由下式計(jì)算得到:

根據(jù)歐姆定律,以下兩式成立:

根據(jù)運(yùn)算放大器原理,R3與R4兩端的電位相等,由式(2）、式(3）可得:

根據(jù)式(1）、式(4）,最終可以得到回路電流計(jì)算公式:

其中,vdac是微處理器DA轉(zhuǎn)換后的輸出電壓,滿足下式:

其中,Dv是處理器DAC模塊的輸入量,根據(jù)當(dāng)前外圍傳感器(如溫度傳感器、壓力傳感器等）輸出的數(shù)字量確定,范圍為0～4096(假設(shè)微處理器DA為12位精度）。vref是DA模塊的參考電壓,在本設(shè)計(jì)中為滿足低成本需求,實(shí)際就是vreg。

根據(jù)式(5）,令:

顯然,I0與K都為常量,帶入式(5）可得:

由式(9）可以看出,輸出環(huán)路的電流與DAC模塊的輸出電壓為線性關(guān)系。選取合適的電阻阻值,使I0=4+A,當(dāng)vdac=3v時(shí),Iout=20+A,即可滿足v-1變換的設(shè)計(jì)要求。考慮到4～20+A電流的精度需要,R3、R4、R5、R7都選擇0.1%的精密電阻。

2Multisim仿真

為驗(yàn)證v-1變換電路的功能,使用Multisi+軟件對(duì)v-1變換電路進(jìn)行仿真。穩(wěn)壓電路中的電阻R8、R9,v-1變換電路中的電阻R3、R4、R5和R7的允許誤差設(shè)置為0.1%,其余電阻的允許誤差設(shè)置為1%。

在仿真電路中的v-1變換模塊輸入端設(shè)置一個(gè)三角波信號(hào)源,幅值為0～3v,頻率為20Hz。電流取樣電阻阻值設(shè)置為100Q。輸出電流的大小可以通過測(cè)量取樣電阻(100Q）兩端的電壓間接得到。

輸入三角波信號(hào)、輸出采樣電阻兩端電壓信號(hào)仿真結(jié)果分別如圖2、圖3所示?？梢钥闯?v-1變換電路的輸出電流基本在4～20+A。當(dāng)輸入信號(hào)為0v時(shí),取樣電阻兩端電壓信號(hào)為0.414v,即流過取樣電阻的電流為4.14+A,誤差為3.5%。當(dāng)輸入信號(hào)為3v時(shí),取樣電阻兩端電壓信號(hào)為2.014v,即流過DCS卡件取樣電阻的電流為20.14+A,誤差為0.7%。從誤差結(jié)果可以看出,本文設(shè)計(jì)的低成本v-1變換電路具有較高的精度,滿足實(shí)用要求。

3結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種低成本的v-1變換電路。通過仿真,驗(yàn)證了該v-1變換電路的正確性和可行性,并測(cè)量了v-1變換電路的電流轉(zhuǎn)換精度。該v-1變換電路還有以下兩點(diǎn)可以改進(jìn)的地方:

(1）增加零點(diǎn)和滿量程的硬件校準(zhǔn)方法,考慮將R3和R4兩個(gè)固定阻值的電阻改為變阻器供用戶校準(zhǔn):

（2)可以增加對(duì)HART協(xié)議的支持,為實(shí)現(xiàn)儀表智能化打下基礎(chǔ)。