基于低成本MCU的電流環(huán)路校準(zhǔn)器的設(shè)計與實現(xiàn)
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圖8：DAC框圖
為了進(jìn)行電流測量，我們使用了微控制器內(nèi)部的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊。轉(zhuǎn)換過程達(dá)到10位分辨率以上。我們是通過將電流流經(jīng)0.47Ω電阻然后再送到微控制器上的ADC實現(xiàn)電流測量的。
所設(shè)計設(shè)備的靈敏度
本研究報告中使用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是16位分辨率，在4-20mA范圍用的就是這個分辨率。我們可以用公式1確定獲得的電流源靈敏度(Ss)：
為了實現(xiàn)電流測量，電流需要流經(jīng)一個阻值非常小的電阻，然后必須對這個電阻上的電壓進(jìn)行測量。在電流測量期間，需將電流測量設(shè)備串接到電路。因此可以預(yù)見的是，設(shè)備內(nèi)部阻抗不會影響到電路，或者至少這個阻抗的影響是很小的。本例中的電流電壓轉(zhuǎn)換使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作為使用低值電阻的結(jié)果，在最大電流值時獲得的電壓值(Vacq)也是非常小的(參見公式2)。
在數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時，就可以獲得帶模擬直流電平的電流。但要想用這里獲得的電流驅(qū)動所連負(fù)載并保持線性工作，還存在一些最大值限制問題。其中一個限制是電流環(huán)電壓一致性。這個術(shù)語描述了與電流輸出端相連的負(fù)載上施加的最大電壓。
在第一次試驗時，我們使用的是DAC908。這個集成電路的特點是速度快，輸出電流分辨率為8位。該集成電路的輸出一致性限制是在-1.0V和+1.25V之間。這意味著電流輸出端可以連接的最大負(fù)載電阻為1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，這個值對于使用24V電壓實現(xiàn)電流環(huán)路的過程控制系統(tǒng)來說太低了。另外，這個集成電路是一種快速DAC。這樣，由于高工作頻率而很難獲得這個頻率值?；谏鲜鲞@些理由，我們決定放棄DAC908，取而代之的是另一種數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器AD420。
所設(shè)計設(shè)備的基本屬性
圖9顯示了所設(shè)計的校準(zhǔn)器的內(nèi)部電路。所設(shè)計設(shè)備的輸入輸出范圍都是4~20mA。室溫下所做試驗的輸出電流誤差是±1nA。對于12V環(huán)路電壓來說最大負(fù)載驅(qū)動能力是600Ω。對于4~20mA電流產(chǎn)生范圍，要求24V的工作電壓。外部可用環(huán)路電壓最大值為32V。此次實現(xiàn)的校準(zhǔn)器的總成本約50~100美元。因此，在設(shè)備成本方面獲得的好處是非常大的。
圖9：所設(shè)計的校準(zhǔn)器縱覽
本文總結(jié)
在這份研究報告中，我們設(shè)計并實現(xiàn)了具有0.001mA分辨率的低成本電流環(huán)路校準(zhǔn)設(shè)備。該設(shè)備可用于測試和校準(zhǔn)采用4~20mA電流標(biāo)準(zhǔn)通信的系統(tǒng)。電流環(huán)路是工業(yè)控制應(yīng)用的一個重要方面，因為通過這個方式，信號遠(yuǎn)距離傳送時受噪聲的影響會較少。本次開發(fā)的設(shè)備還可以用來仿真使用4~20mA電流環(huán)路的裝置中的傳感器。
雖然校準(zhǔn)設(shè)備的銷售價格高達(dá)2,000美元，但作為這份研究報告的結(jié)果，所設(shè)計設(shè)備的成本約為50至100美元。該設(shè)備基于微控制器技術(shù)設(shè)計，帶一個LCD顯示器和一個數(shù)字控制鍵盤，能夠產(chǎn)生和測量4~20mA標(biāo)準(zhǔn)的信號，適用于具有兩線連接的系統(tǒng)。
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