摘要：探讨了3种完成4～20 mA电路的计划，比较了其优缺陷;要点介绍了使用LM331完成频率/电压转化;再使用运放和三极管构成恒流电路，将电压转化成电流;完成4～20 mA输出的频率/电流转化的作业原理，而且给出了详细器材参数和操控程序，验证了相关数据。本电路简略、有用，本钱低价，可广泛使用于单片机、PLC等操控体系中。
在工业现场，电压输出信号经过传输线完成信号传输时，因为传输线会遭到噪声的搅扰、散布电阻发生电压下降等原因，电压信号传输遭到很大约束;而电流因为对噪声不活络，所以电流输出信号因其较高的抗搅扰才干而被广泛用于工业外表信号的输出。
4～20 mA电流环用4 mA表明零信号，用20 mA表明信号的满刻度，而低于4 mA或高于20 mA的信号用于表明反常，因而很简单区别环路断路(0 mA，毛病状况)与传感器的零输出(4 mA)。因而研讨和使用4—20 mA电路，无论是作为传感器信号长途传输，仍是微机的长途操控，都具有十分大的有用价值。
1 4～20 mA电路完成计划
1.1 专用芯片AD421计划
AD421是ADI公司出产的一款环路供电型、16脚封装高性能4～20 mA数，模转化器;选用规范三线串行接口，最高速率达10 Mbit/s;∑△DAC结构，可完成16位分辨率，其积分线性差错为±0.001%，增益差错为±0.2%;其典型使用如图1所示。
计划长处：能直接发生所需4～20 mA电流，精度高。缺陷：芯片价格昂贵，其间MOS管、器材参数要求高，使用工艺杂乱，电流的环路有必要是浮地，不然电流环路将无法构成。
1.2 数/模转化+压控恒流转化计划
单片机使用体系中，模拟量输出的典型计划是使用数/模转化芯片，一般往往挑选并行的DAC0832作D/A转化器，但常用D/A芯片直接输出的都是电压信号，需进行V/I改换，才干得到所需的电流信号，其典型使用如图2所示。
计划长处：转化速度快、呼应活络。缺陷：与CPU间连线多，较适应于单片机使用体系;压控恒流电路完成杂乱。
1.3 F/N+V/I即F/I计划
单片机、PLC等操控设备，都可十分简单输出不同频率的方波信号，乃至PWM信号。使用F/V芯片将不同频率转化成相应的电压，再使用V/I电路，将电压转化成电流，即可到达频率/电流转化4～20 mA电流输出意图，其结构图如图3所示。
计划长处：频率信号能够便利完成光耦阻隔，然后进步整个体系的抗搅扰才干;对操控器要求更宽。缺陷：转化速度相对较慢。
2 F/I作业原理及剖析
2.1 F/V转化电路
LM331是美国NS公司出产的、含有温度补偿能隙基准电路的8脚集成芯片，能完成V/F改换和F/V改换，其动态规模可达100 dB，最大非线性失真小于0.01%，作业频率低到0.1 Hz时髦有较好的线性;只需接入几个外部元件就可完成频/压或压/频转化，完成类似于D/A或A/D所需的功用。F/V转化原理图如图4所示。
输入频率信号Fin经R1、C1组成的微分电路，加到LM331脚6(内部输入比较器的反相端)，电阻R2、R3分压电压加到脚7(输入比较器的同相端)。输入信号Fin下降沿经微分电路发生的负尖脉冲，操控内部电流源I对电容CL充电，充电时刻由电源VCC经过电阻Rt对电容Ct构成的充电回路的充电时刻常数决议，此均匀充电电流如式1所示。
CL均匀充电电流=Ix(1.1RtCt)×Fin (1)
当电容Ct电压到达内设2/3VCC时，在内部电路操控下，CL开端经过RL放电，其均匀放电电流如式(2)所示。
CL均匀放电电流=Vo/RL (2)
电阻R6和多圈电位器W1构成的总电阻Rs可改动内部电流源I值巨细，其值如式(3)所示：
I=1.90/Rs (3)
当CL充放电均匀电流平衡时，所得输出电压Vo如式(4)所示：
Vo=Fin×(2.09RLRtCt/Rt) (4)
可见，当电阻RL、Rt、Rs和%&&&&&%Ct值一守时，输出电压Vo与输入频率Fin成线性关系。
2.2 V/I转化电路
TLC2712是一款输入阻抗达1012Ω、低功耗、单电源、双路运算放大器，使用其能够大大进步体系操控精度，详细V/I转化原理图如图5所示。
运放U1A构成同相缓冲器，意图是减小LM331输出信号与后续V/I电路之间的影响，依据运放特性，其Vout等于Vo。
R10与E2构成低通滤波器，减小信号纹波对V/I转化的影响;运放U1B与T1构成恒流电路，依据相关原理，可得：
∵Ve=Vref=Vout=Vo，Ie=Ve/Rref
∴Ie=Vo/Rref (5)
因为T1的基极电流极小，可疏忽其影响，则输出负载恒流电流Iout≈Ie。
将式(4)代入式(5)，终究完成F/I转化公式为：
Iout=Finx(2.09 RL Rt Ct/Rs/Rref) (6)
若要进步操控精度，有必要挑选高精度、高稳定性元器材;
一起合理挑选器材参数，则可完成4—20mA电流输出。
3 试验研讨
使用单片机可完成比PLC频率更宽、精度更高的方波或PWM信号，便于进行体系数据测验。
C8051F120是一款增强型51内核的单片机，其最高作业频率达100 MHz，内集成一个可编程计数器阵列PCA，16位PCA可完成边缘捕捉、软件守时、高速输出、PWM等作业方
式。
本体系使用PCA发生方波信号，变量PWM tounterH、PWM_tounterL寄存频率半周期数据，改动其值可操控方波的频率，其间断服务源程序如下，测验所得数据如表1所示;
丈量数据显现，契合信号传输4～20 mA电流规模的要求。
4 结束语
因为LM331进行F/V转化时存在必定非线性，但只要对4—20 mA进行分段处理、补偿批改，则可进步体系的信号传输精度。本计划已在污浊度检测体系中得到了使用，操控作用杰出。
本F/I计划不只适用于单片机体系，还适用于PLC等操控器，本钱低价、使用灵敏，而且能够便利进行电气阻隔，然后进步整个体系的可靠性。
