一种低成本v

1引言

当前智能工业仪表普遍采用微处理器作为控制核心,微处理器与外围传感器(如压力传感器、温度传感器、湿度传感器）进行数字通信,通过DA转换,将从传感器采集来的数字量信号转换为电压信号。而工业仪表的输出信号大多为标准的4～20+A电流,这就需要设计一个电路,能够将微处理器输出的电压信号转换为标准的4～20+A电流信号输出,而v-1变换电路可以实现上述功能。

1V-l变换电路设计

本文设计的v-1变换电路具有简单、实用的优点,仅由1个运算放大器、1个NPN型晶体管以及5个电阻组成,大大降低了电路所需的元器件成本。v-1变换电路的输入为微处理器DA转换的输出电压,输出为4～20+A环路电流。运算放大器采用oPA333芯片,失调电压仅为10uv,保证该v-1变换电路具有较高的转换精度。该v-1变换电路原理图如图1所示。

运算放大器的v-端接3v电压的参考地,所以R7两端的电压与微处理器DAC的输出电压vdac幅值相等。同理,R5两端的电压就是TL431B的输出电压3v。根据欧姆定律,流经R3的电流可由下式计算得到:

根据欧姆定律,以下两式成立:

根据运算放大器原理,R3与R4两端的电位相等,由式(2）、式(3）可得:

根据式(1）、式(4）,最终可以得到回路电流计算公式:

其中,vdac是微处理器DA转换后的输出电压,满足下式:

其中,Dv是处理器DAC模块的输入量,根据当前外围传感器(如温度传感器、压力传感器等）输出的数字量确定,范围为0～4096(假设微处理器DA为12位精度）。vref是DA模块的参考电压,在本设计中为满足低成本需求,实际就是vreg。

根据式(5）,令:

显然,I0与K都为常量,带入式(5）可得:

由式(9）可以看出,输出环路的电流与DAC模块的输出电压为线性关系。选取合适的电阻阻值,使I0=4+A,当vdac=3v时,Iout=20+A,即可满足v-1变换的设计要求。考虑到4～20+A电流的精度需要,R3、R4、R5、R7都选择0.1%的精密电阻。

2Multisim仿真

为验证v-1变换电路的功能,使用Multisi+软件对v-1变换电路进行仿真。稳压电路中的电阻R8、R9,v-1变换电路中的电阻R3、R4、R5和R7的允许误差设置为0.1%,其余电阻的允许误差设置为1%。

在仿真电路中的v-1变换模块输入端设置一个三角波信号源,幅值为0～3v,频率为20Hz。电流取样电阻阻值设置为100Q。输出电流的大小可以通过测量取样电阻(100Q）两端的电压间接得到。

输入三角波信号、输出采样电阻两端电压信号仿真结果分别如图2、图3所示。可以看出,v-1变换电路的输出电流基本在4～20+A。当输入信号为0v时,取样电阻两端电压信号为0.414v,即流过取样电阻的电流为4.14+A,误差为3.5%。当输入信号为3v时,取样电阻两端电压信号为2.014v,即流过DCS卡件取样电阻的电流为20.14+A,误差为0.7%。从误差结果可以看出,本文设计的低成本v-1变换电路具有较高的精度,满足实用要求。

3结语

本文设计了一种低成本的v-1变换电路。通过仿真,验证了该v-1变换电路的正确性和可行性,并测量了v-1变换电路的电流转换精度。该v-1变换电路还有以下两点可以改进的地方:

(1）增加零点和满量程的硬件校准方法,考虑将R3和R4两个固定阻值的电阻改为变阻器供用户校准:

（2)可以增加对HART协议的支持,为实现仪表智能化打下基础。