利用ADI公司高精度运放制作精密4-20mA电流源及应用实例

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来源：未知发布时间： 2016-10-09 浏览次数：101

1. 4-20mA电流源背景概述

一般仪器仪表的信号电流都为4-20mA，指最小电流为4mA,最大电流为20mA 。

传输信号时候，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线的产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了~所以使用电流信号作为变送器的标准传输~

　双绞线特性阻抗是50欧姆左右，相隔1CM宽的0.2平方毫米的导线特性阻抗300欧姆左右，所以负载电阻选择50-300欧姆比较理想，为了AD转换方便，负载上的信号最大量程值一般5-10V比较合适，那么权衡所有，负载电阻250欧姆，电流20mA，负载压降5V比较满意。那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。

2. 如何利用ADI公司差动放大器AD8276和运放AD8603制作高精度、低成本电流源

图1是利用低功耗差动放大器AD8276和运算放大器AD8603构建的电流源，不仅经济、灵活、小巧，而且初始误差、温度漂移和功耗等性能也都非常出色。

图1 高精度电流源原理图

电流源电路如图1所示。基准电压VREF加在AD8276的同相输入端，该电压控制输出电流量 IO。 AD8276的反相输入端则直接接地。该器件内置四个40 kΩ激光调整电阻，分别与输入引脚、REF引脚和SENSE引脚相连。如果需要高电流输出，则AD8276的输出可用来驱动一个晶体管。

如果电阻完全匹配，R1上的电压即输入电压VREF，从而产生恒定的负载电流IO，它等于VREF/R1。

由于运算放大器AD8603具有低偏置电流（最大值为1 pA）和低失调电压（小于50 μV）特性，所以在电路的反馈环路中选用该器件。低偏置电流特性使它能与高阻抗负载接口，而不会引入明显的失调误差。低温度漂移特性（最大值为4.5 μV/°C）使它能在较宽的温度范围内工作，而且该放大器还具有低噪声以及轨到轨输入和输出特性。

为保证精度，R1的精度非常重要，其公差应达到0.1%或更佳，此误差可通过校准来消除。

3.应用实例

本文以电厂风门开度调节系统为例，由于工作环境恶劣，需要将开度数据经过检测后传输到控制室，这个过程需要长线传输，传输电流为4-20mA，采样电阻为250欧姆，也就是最后给控制器的电压是1V-5V的电压量。

为了将开度转化为电流，设计中利用ADUC7026单片机对开度进行检测，并用ADUC7026内置的DAC产生VREF（见图1），调节电流输出，R1选为100欧姆，0.1%精度。

软件程序如下，包括了开度距离测量，计算滤波，及DA输出

/*********************************************************************

 Author        : Wang Yan

 Date          : Aug. 2012



 Hardware      :  Currently targetting ADuC7026.

 Description   : DISTANCE MEASURING
		
*********************************************************************/
#include 
#include 



/**********全局变量声明**************/
float w;
float d,pred,distance;
int   m = 0;
const static unsigned int TableS[8] = {
 	0x07FF0000, 
 	0x0DA70000,  
 	0x0FFF0000, 
 	0x0DA70000, 
 	0x07FF0000, 
 	0x02570000, 
 	0x00000000, 
 	0x02570000
	}; 

/********中断服务*******/
void IRQ_Handler() __irq
{	
   	
	DAC0DAT = TableS[m] ;  
	m++;
	m &= 0x07; 
	T1CLRI = 0x01;
} 
/**********ADC上电程序**************/
void ADCpoweron(int time)
{
	ADCCON = 0x20;	 					// power-on the ADC
	while (time >=0)	  				// wait for ADC to be fully powered on
    time--;
}

/***********************交换两个数的值，供中值滤波用(整型)*******************************************/
void Swap(int *x,int *y)
{
    int temp;

	temp = *x;
	*x   = *y;
	*y   =  temp;
} 


/***********************************中值滤波程序，是寻找具有奇数（odd）个数的采样序列的中值（整型）***************************/
int FindMedian(int n,int SortData[])
{
//	int i,j,k;
//	float sum=0.0, avg=0.0;
int i,j;
	for(i = 0;i< n;i++)
	{
		for(j = n-1;j > i;j--)
		{
			if(SortData[j] < SortData[j-1])
			{
				Swap(&SortData[j],&SortData[j-1]);
			}
		}
	}
	return SortData[(n-1)/2];	
/*	for(k =1;k< n-1;k++)
	{
	sum += SortData[k];
	avg = sum/(n-2);
	}
	sum=0.0;
				
	return avg ;   */


}


/***********************交换两个数的值，供中值滤波用(浮点型)*******************************************/
void Swap1(float *x,float *y)
{
    float temp;

	temp = *x;
	*x   = *y;
	*y   =  temp;
} 


/***********************************中值滤波程序，是寻找具有奇数（odd）个数的采样序列的中值（浮点型）***************************/
float FindMedian1(int n,float SortData[])
{
//	int i,j,k;
	int k;
	float sum=0.0, avg=0.0;
/*	for(i = 0;i< n;i++)
	{
		for(j = n-1;j > i;j--)
		{
			if(SortData[j] < SortData[j-1])
			{
				Swap1(&SortData[j],&SortData[j-1]);
			}
		}
	}  */
	for(k =0;k< n;k++)
	{
	sum += SortData[k];
	avg = sum/n;
	}
	sum=0.0;  
	return avg;	
//	return SortData[(n-1)/2];

 }  

/*******测量正弦波发生电路产生的源信号均值,ADC1************/
float ReadSource()
 {
 	float SourceValue;
	int i,SampleData[15];

	ADCCP  = 0x01;
	for(i = 0;i < 15;i++)
	{
		ADCCON = 0x7E3;
		while(!ADCSTA){}
		ADCCON &=0xF7F;
		SampleData[i] = (ADCDAT >> 16);
	} 
	SourceValue = FindMedian(15,SampleData);

	return SourceValue;
 }

/*******测量电感分压信号均值,ADC2************/
 float ReadOutput()
 {
 	float OutputValue;
	int i,SampleData[15];

	ADCCP  = 0x02;
	for(i = 0;i < 15;i++)
	{
		ADCCON = 0x7E3;
		while(!ADCSTA){}
		ADCCON &=0xF7F;
		SampleData[i] = (ADCDAT >> 16);
	} 
	OutputValue = FindMedian(15,SampleData);

	return OutputValue;
 }

/****************低通平缓滤波*******************/

float LowPassFilter2(float Factor,float NowData,float PreData)
{
	return (1-Factor)*PreData + Factor * NowData;
}

/*******************供打印输出距离使用****************************/
int putchar(int ch)  {                   /* Write character to Serial Port  */

	if (ch == '\n')  {
    	while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020)))
    	{}
		COMTX = 0x0D;							/* output CR */
		}
    while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020)))
    {}
 
 	return (COMTX = ch);
}

/********************延时函数*********************/
void delay(int length)
{
    while(length>=0)
	length--;
}



/**************主函数****************/

int main (void)  {
	
	float Vs=3000.0,Vo=3000.0;
	int j=0,DAC1value;
	float ComData[185];          //此处修改数据更新频率！！！！！！！！
	
//	PLLKEY1=0xAA;
//	PLLCON=0x01;
//	PLLKEY2=0x55;
	POWKEY1 = 0x01;
	POWCON = 0x00;
	POWKEY2 = 0xF4;	

	// DAC configuration
	DAC0CON = 0x12;				// DAC configuration
	DAC1CON = 0x12;				// DAC configuration

	REFCON = 0x01;							// range AREF/AGND
								// DAC1 is updated with falling edge of core clock
	DAC0DAT = 0x08000000;		// start from midscale
	DAC1DAT = 655;		// 400mV----4mA
	T1LD = 0x80;						// Counter Value ,0x90=36khz,0x80=40khz;
	T1CON = 0xC0;						// Enabled,Periodic,Binary and CLK/16
	IRQEN = GP_TIMER_BIT;				// Enable XIRQ0 and Timer1 IRQ
	
	ADCpoweron(20000);			// power on ADC										
 	ADCCP = 0x02;				// 
	REFCON = 0x01;				// connect internal 2.5V reference to Vref pin
	GP0CON = 0x010100000; 		// enable ECLK output on P0.7, and ADCbusy on P0.5

//	GP4DAT = 0x04000000;		// P4.2 configured as an output. LED is turned on	

	GP1CON = 0x011;	 			// Setup tx & rx pins on P1.0 and P1.1

   // Setting up UART at 9600 (CD=0)
	COMCON0 = 0x80;				// Setting DLAB
	COMDIV0 = 0x88;				// 
   	COMDIV1 = 0x00;
   	COMCON0 = 0x07;				// Clearing DLAB
			
	while(1)
	{
	
	//	t = ADCRead();
	//	w = t/100.0;
	//	d =	0.0657351*w*w*w*w*w - 9.1878362*w*w*w*w + 513.6387866*w*w*w - 14355.5936574*w*w + 200581.1607954*w -1120847.94507;
	// 	d =	 0.1698214*w*w*w*w - 18.8880471*w*w*w + 787.933324*w*w - 14608.094629*w + 101539.6810149-0.2; 
	 GP4DAT = 0x02000000; 
     for(j = 0;j < 185;j++)
	{
	 Vs = ReadSource();
  	 Vo = ReadOutput();
	 w = (Vs+0.000001)/(Vo+0.000001)*30.0;
//	ComData[j] = 0.4696771683*w*w*w*w - 51.9252290524*w*w*w + 2152.6956573411*w*w - 39667.9356070098*w + 274163.653;
	 ComData[j] = 0.3813314*w*w*w*w - 42.2315498*w*w*w + 1754.0923438*w*w - 32387.8436677*w + 224332.59168;  
	 }
	 d = FindMedian1(185,ComData); 
    // distance= LowPassFilter2(0.5,d,pred);
	if(d<0.0)
	{
	d=0.0;
	}
	DAC1value=(int)(655.2+262.08*d);
	if(DAC1value>4095)
	{
	DAC1value=4095;
	}
//	DAC1DAT = DAC1value<<16;
	DAC1DAT = 0x2BC<<16;
	GP4DAT = 0x04000000;

	printf("%f\n",Vs);
//    printf("%f\n",d);

	
	}
}

提供单通道高精度运放OK8551 零温漂双通道OK8552 4通道高精密运放OK8554