推荐4个实用的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换电路

Posted 2022-09-12 无痕幽雨

一、最简单的4～20mA输入/1～5V输出的I／V转换电路应用示意图

二、廉价运放LM324搭的廉价的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换电路

 

三、推荐采用运放OP07搭的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换电路

四、推荐采用精密的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换专用集成电路

    RCV420是一种精密的I/V转换电路,也是目前最佳的4-20mA转换0-5V的电路方案，有商用级（0℃－70℃）和工业级（-25℃－+85℃）供你选购。

详细文章见:http://www.188sx.com/ns_detail.asp?id=500033&nowmenuid=500002&previd=0

 

技术资料：http://www.ti.com.cn/product/cn/RCV420/technicaldocuments

这颗芯片有双电源方案和单电源方案，Single Supply 4-20mA Current Loop Receiver为单电源方案，

我也采用的单电源方案。根据文档来看：

1、单电源方案，电压15V~36V；

2、变送器电源和RCV420电源共地；

3、RCV的10V输出参考电源是参考地；

4、经过这样处理后，4~20ma对应10V~5V输出或者是0~-5V输出；

注意：

1、运放输入端分压后的电压不要超过运放的VCC，否则会有非线性区；

2、LM324和LMV324的Vio在2mv左右，上面电路在低温区误差很大，因此选用AD8554，Vio大概在5uV左右；

3、运放增加稳压源TL431;

 

 

精密电流／电压转换器RCV420的典型应用电路

RCV420的典型应用电路如图所示。它采用±15V(或±12V)双电源供电。C1和C2为正、负电源的退耦电容，需采用1μF钽电容并且在安装时要尽量靠近RCV420的电源引脚。CT端、RCV COM端和REF COM端必须单点接地并使接地电阻为最小，以免形成地线回路而引起转换误差。当II=4～20mA时，Uo=0～ 5V。C3为降噪电容，取C3=0.1μF时，可将基准电压输入端的噪声电压降低到25μV(峰-峰值)，减小50%。

 

 

 

4~20mA电流输出芯片XTR111完整电路

在工控或者和工控相关的行业，一定会遇到需要输出4~20mA电流的时候。而XTR111是应用最广泛的电流输出芯片。

 

最简单简陋的电流输出电路，是用“三级管+放大器”构成的。如下图所示：

 

这个电路很简单，你可以试着搭一下，J1是电流输出口，你可以在J1上接个LED灯，随着“电压输入”的变化，LED灯的亮度就会变化，这说明电流发生了变化。

 

“三极管+放大器”组成的电流输出电流，还可以再经过改进，如下图所示：

 

 

尽管做了改进，得到的电流输出也不是完全随电压输入呈线性的关系。所以在高精度仪器上，一般使用集成型的电流芯片。例如我们今天要讲的XTR111就是应用最广泛的电流输出芯片。

 

为什么最广泛？原因有二：一是线性度非常好、二是价格便宜。总结成一点，就是性价比高。

 

你可以去TI的官网下载XTR111的芯片手册，官网还做了一个XTR111的demo板，提供板子的原理图和PCB图，我们做的电路，也都是根据他提供的开发板原理图来画的。

 

（TI的XTR111demo板）

 

为了大家方便，我这里给大家提供一种久经考验的电路，省去了大家找资料的麻烦，直接可以使用，优点有二：一是原料好买，二是体积小。

 

电路解释：

 

• 电路中的24V，实际上可以用7V~44V都可以，我曾经用过24V，12V，9V都没有问题。
• 电路中的5V，不是由外部提供，而是XTR111输出的，这个5V可以用来给DAC芯片供电，当然也可以不用。这个5V最大提供5mA电流，给DAC芯片提供电流绰绰有余，给其它芯片供电的话，你要搞清楚能否带的起来。
• 电路中，PNP三极管使用SS8550，不是S8550。PMOS管使用SI2309。这两个芯片都使用SOT-23-3封装，整个电路做下来，体积可以非常小。
• 0~5V输入，对应的是0~25mA的输出电流，线性度非常好。可以用独立的DAC芯片或者单片机的DAC直接驱动。
  
   

 

完整电路已经给你，现在不用的话，赶紧保存吧！

 

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2019.09.23

今天在调试PT100电路，说说我调试当中遇到的问题，以及解决思路。采用的电路就是上面RCV420+运放LM324原理，由于

RCV420采用的单电源方案，也就是说4-20ma对应5~10V，那么查分输入端就是-IN(5~10V)，+IN接10V参考电源，比例为

2/3，当要求-200准确时候，就是说电流接近4ma时候，要求测量准确，也就是差分运放电路要求能够输出接近地，问题：

1、当我用LM324调试时候，发现方运放差分输入端压差大，没有问题，压差小有问题，LMV324最低只能输出十几mV(还是

100多mV，记不清了，反正就是输出地时候不准)；

2、后来换成LMV324，问题一样；

3、后来换成AD8554ARZ（题外话，淘宝上买了三家都是假的)，并且把电阻换成3k，1K，最低输出电压达到0.07V，但是仍然不满足要求，因为-200时候，大约输出0.032V，要求运放能输出0.01V；

解决思路如下：

1、RCV420采用±电源供电，这样输出就是0~5V，只需要高电压测量准确就可以，通过调节比例，很容易做到；

2、抬高运放的参考地，这个方案待验证，我没有验证是否可行；

3、给运放加一个直流偏执，是可行的；

4、采用更高精度运放；

上面是常用的解决思路，但是由于我的板子没有负电压，我在考虑能不能去掉运放，直接采样？

RCV420输出：5~10V，如果我把MCU的参考地抬升5V，然后用分压电阻就可以了？由于我要求

采样低温区准确，也就是接近5V准确，因此我抬升4.5V，采样0.5V到5.5V，通过适当比例电阻就

可以得到很好的采样结果。这里说下计算公式，我就开始把计算公式搞错了，导致采样值和实际

测量值不一致，怀疑方案有问题，其实是计算公式错误：

△：       表示抬升电压

K：        比例系数

Vad：    AD采样值

Vad-S：采样点实际电压

Vout-S：实际输出电压

Vout：    输出的相对电压

Vad-S =   Vad+△；

Vout-S=   Vad-S/K；

Vout   =   Vout-S - △；

 

2019.10.07

上面的思路是没有问题的，但是公式很奇怪，对吧？原因就是我把Vout的分压电阻地

连接到了GND上，并没有连接到参考地上。这就导致一个问题，什么问题呢？

当输出<=△，这个是采集到的电压全是0，导致高温区不准确。解决方法，把分压电阻的地

连接到△上，计算公式如下：

△：       表示抬升电压

K：        比例系数

Vad：    AD采样值

Vout-S：实际输出电压

Vout：    输出的相对电压

Vout    = Vad/K；

Vout-S = Vout  + △；

 

 

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2020.02.17

目前这个项目已经做完了，我做下总结，希望能够助大家。目前没有做校准，

精度和温度计做了一个大概的对比，大概在0.5度以内；用液氮测试了下，液

氮在室内能够达到195度左右，测试了下，符合客户需求。

1、PT100的电阻值检测，这个我在淘宝上卖的现成的PT100温度变送器；

     为4~20ma，买个0~5V不能用；

2、4~20ma，我采用的RCV420集成IC，单电源方案，输出5~10V，这里

     检测有两种方案：

    1）用运放搭建一个减法电路，一定注意留有余量，不可把运放指标用满；

    2）把MCU的地抬高到5V，然后低温漂高精度电阻分压；

说下计算思路：

4~20ma对应测温范围t1~t2,对应RCV420输出：5~10V,对应AD采样，5~0V，

取比例系数为K，则：

AD采样电压=AD值*3.3/4095/K;

实际电压=AD采样电压+5；

t1~t2对应,5~10V，这里我通过曲线拟合，发现可以用线性曲线（如果要求精度高，

可以用折线）。

y=kx+b;

t1=5k+b;

t2=10k+b;

k=(t2-t1)/5;

b=2t1-t2;

y=((t2-t1)/5)*(AD值*3.3/4095/K+5)+(2t1-t2);