4~20mA電流采集模塊

一、設(shè)計(jì)方案

針對(duì)電流輸出型傳感器（4~20mA或者0~20mA）,設(shè)計(jì)了這款電流采集模塊。主要是通過運(yùn)放搭建電流放大電路，并通過二階低通濾波后送入帶有12位ADC的單片機(jī)，通過數(shù)碼管顯示電流值，并通過串口打印數(shù)據(jù)。

二、方案解析

1、電流采集放大電路

該電路是典型的運(yùn)放低側(cè)電流監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，采樣電阻R20為10Ω，精度0.1%? 25PPM/℃。R5、R4、R6、R7以及運(yùn)放U1組成差分放大電路，因?yàn)镽5=R6、R4=R7，所以該差分放大電路的Vout = Vin * （R4/R5）。所以CN1處的電壓等于 被測(cè)電流*10*10 （0~2V）。斷開H1，萬用表調(diào)至mA電流檔,可以監(jiān)測(cè)回路中的電流大小。正常使用時(shí)，短接H1即可。

2、二階低通濾波

這是一個(gè)典型的單位增益KRC電路又稱塞林更（Sallen-Key）濾波器，截止頻率fc=1/（2*pi*（R1*R2*C5*C6）^0.5） ，可以通過電子發(fā)燒友上的計(jì)算器（運(yùn)放低通濾波器在線計(jì)算工具）。

我這邊設(shè)計(jì)的是需要濾掉工頻干擾的50HZ，通過計(jì)算并查找相關(guān)電阻阻值和電容容值，確定R1 = R2 = 10KΩ，C5 = 220nF,C6=470nF,通過截止頻率計(jì)算公式算出fc = 49.5HZ。

電路中運(yùn)算放大器選用常用的KTA333（SOT-23封裝）低噪聲低溫漂精密運(yùn)算放大器。 它的輸入失調(diào)電壓小于 10μV，輸入偏置電流±100pA，輸入失調(diào)電壓±120pV,失調(diào)電壓漂移僅有 0.05μV/℃。

3、其它功能介紹

單片機(jī)采用STC的STC8H3K32S2-45I-LQFP32，該芯片具有12位的ADC，可以滿足本方案的采樣精度要求。并且在電路中增加TL431電路作為單片機(jī)ADC的參考電壓。運(yùn)放放大后的最大電壓值是2V，參考電壓可以設(shè)置成2.5V。而且參考電壓設(shè)置為2.5V比直接用5V系統(tǒng)電源可以提高采樣精度。

顯示部分采用的是TM1650可以驅(qū)動(dòng)4位8段數(shù)碼管，進(jìn)行測(cè)試值顯示。

電源部分，采用TPS5430降壓芯片，輸入可以5.5 V ~ 36 V寬電壓供電。

三、電路調(diào)試

1、檢查供電電壓 & 2.5V參考電壓

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2、電流經(jīng)過采樣電阻R20、差分放大電路放大100倍后的電壓值：

?

?

擬合曲線為y = 97.85x，因?yàn)?.99K和49.9K電阻存在誤差，后期可以換成0.1%的再試一下。

3、單片機(jī)采集數(shù)值

TempData = temp * 2.510 /65536 ;? 經(jīng)過單片機(jī)采集后，顯示數(shù)值只差0.01mA,可以忽略不計(jì)。

將上面的擬合曲線寫入程序中，測(cè)試結(jié)果還是可以的。

審核編輯 黃昊宇