原创 为微控制器提供4到20mA回路的电路

在制造业设备的控制领域中，4到20mA的电流回路普遍存在。离散逻辑、微处理器和微控制器可以很容易使用控制方案的数字部分，例如：限制开关、按钮和信号灯。对初级微控制器而言， 4到20mA的输出接口存在问题。内置A/D转换器固然很好，但这样的设备对处理器来讲不经济。串行4到20mA芯片的确存在，但相对昂贵的，且需要串行设计，会使处理器价格过高。大部分低端芯片缺少专门的串行接口，并需要管脚编程。

　　图1中的电路成本较低，不仅可以提供4到20mA的输出，而且提供数字反馈信号表征电流环中的明线。一个输出端口引脚用来输出电流，一个输入管脚用来监控回路线中的开路电流。这个电路的运行不需要电流环的开环反馈部分，为节省成本可省略这部分。

　　电路由微处理器中简单的定时器输出驱动。定时器的占空比决定着电路的输出电流。第一个运放信号前端的RC网络调制来自处理器的脉动序列，以便运放认定其为直流电压。另外，这个网络确保即便输入接地时，最小输入电压也接近100mV，。当NPN晶体管Q₁关闭时，最小电压确保第一个运放的反馈回路不会折回正极去。如果使用双极性供电，晶体管会有额外的电压在地电压下摆动，保

持其处于导通区而不被关断。NPN型晶体管Q₁的射极电阻决定电流范围。微控制器由5V电压驱动，输出电流为20mA。而输入接地的输出电流小于1mA。12.5%的占空比驱动4mA的电流回路，显示了整个范围上的线性控制。尽管这并不是强制的，但大部分电流回路都有接地回路。第二个运放的目的是提供电流源，而不是前端电路的电流减小，提供接地回路。因此，PNP型晶体管Q3提供高位驱动。双极结合晶体管Q₁和Q₃满足成本考虑，但也可以用MOSFET获得稍好的性能。

　　电路的开关反馈部分使微处理器分辨线路中存在的错误条件。处理器可执行报警，关机或其他控制功能来减少安全隐患。当开环情况发生时，Q₃通过射-基极连接隔离整个回路电流，而通过680Ω电阻接到运放。电压经过680Ω电阻并导通Q₂，导致微处理器处于逻辑为1的反馈。注意到，对这类控制系统的“零”输出状态而言，开环回路需要至少1mA电流表征开路的功能，这个电流低于正常的4mA。

　　指令改变的响应时间约为500毫秒，对大多数的电流回路控制设备是可接受的，例如控制阀门。如果选择的微处理器有内置A/D转换器，响应时间通过消除输入滤波网络的两个多阶幅值而减少。如果使用单电源拓扑，运放的选择就很重要。运放维持接近其负极、地或轨的稳定性是很重要的指标。