為微控制器提供4到20mA回路的電路
發(fā)布時間:2008/6/2 0:00:00 訪問次數(shù):1297
在制造業(yè)設(shè)備的控制領(lǐng)域中,4到20ma的電流回路普遍存在。離散邏輯、微處理器和微控制器可以很容易使用控制方案的數(shù)字部分,例如:限制開關(guān)、按鈕和信號燈。對初級微控制器而言, 4到20ma的輸出接口存在問題。內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換器固然很好,但這樣的設(shè)備對處理器來講不經(jīng)濟。串行4到20ma芯片的確存在,但相對昂貴的,且需要串行設(shè)計,會使處理器價格過高。大部分低端芯片缺少專門的串行接口,并需要管腳編程。
圖1中的電路成本較低,不僅可以提供4到20ma的輸出,而且提供數(shù)字反饋信號表征電流環(huán)中的明線。一個輸出端口引腳用來輸出電流,一個輸入管腳用來監(jiān)控回路線中的開路電流。這個電路的運行不需要電流環(huán)的開環(huán)反饋部分,為節(jié)省成本可省略這部分。
電路由微處理器中簡單的定時器輸出驅(qū)動。定時器的占空比決定著電路的輸出電流。第一個運放信號前端的rc網(wǎng)絡(luò)調(diào)制來自處理器的脈動序列,以便運放認定其為直流電壓。另外,這個網(wǎng)絡(luò)確保即便輸入接地時,最小輸入電壓也接近100mv,。當npn晶體管q1關(guān)閉時,最小電壓確保第一個運放的反饋回路不會折回正極去。如果使用雙極性供電,晶體管會有額外的電壓在地電壓下擺動,保持其處于導通區(qū)而不被關(guān)斷。npn型晶體管q1的射極電阻 決定電流范圍。微控制器由5v電壓驅(qū)動,輸出電流為20ma。而輸入接地的輸出電流小于1ma。12.5%的占空比驅(qū)動4ma的電流回路,顯示了整個范圍上的線性控制。盡管這并不是強制的,但大部分電流回路都有接地回路。第二個運放的目的是提供電流源,而不是前端電路的電流減小,提供接地回路。因此,pnp型晶體管q3提供高位驅(qū)動。雙極結(jié)合晶體管q1和q3滿足成本考慮,但也可以用mosfet獲得稍好的性能。
電路的開關(guān)反饋部分使微處理器分辨線路中存在的錯誤條件。處理器可執(zhí)行報警,關(guān)機或其他控制功能來減少安全隱患。當開環(huán)情況發(fā)生時,q3通過射-基極連接隔離整個回路電流,而通過680ω電阻接到運放。電壓經(jīng)過680ω電阻并導通q2,導致微處理器處于邏輯為1的反饋。注意到,對這類控制系統(tǒng)的“零”輸出狀態(tài)而言,開環(huán)回路需要至少1ma電流表征開路的功能,這個電流低于正常的4ma。
指令改變的響應(yīng)時間約為500毫秒,對大多數(shù)的電流回路控制設(shè)備是可接受的,例如控制閥門。如果選擇的微處理器有內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換器,響應(yīng)時間通過消除輸入濾波網(wǎng)絡(luò)的兩個多階幅值而減少。如果使用單電源拓撲,運放的選擇就很重要。運放維持接近其負極、地或軌的穩(wěn)定性是很重要的指標。
在制造業(yè)設(shè)備的控制領(lǐng)域中,4到20ma的電流回路普遍存在。離散邏輯、微處理器和微控制器可以很容易使用控制方案的數(shù)字部分,例如:限制開關(guān)、按鈕和信號燈。對初級微控制器而言, 4到20ma的輸出接口存在問題。內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換器固然很好,但這樣的設(shè)備對處理器來講不經(jīng)濟。串行4到20ma芯片的確存在,但相對昂貴的,且需要串行設(shè)計,會使處理器價格過高。大部分低端芯片缺少專門的串行接口,并需要管腳編程。
圖1中的電路成本較低,不僅可以提供4到20ma的輸出,而且提供數(shù)字反饋信號表征電流環(huán)中的明線。一個輸出端口引腳用來輸出電流,一個輸入管腳用來監(jiān)控回路線中的開路電流。這個電路的運行不需要電流環(huán)的開環(huán)反饋部分,為節(jié)省成本可省略這部分。
電路由微處理器中簡單的定時器輸出驅(qū)動。定時器的占空比決定著電路的輸出電流。第一個運放信號前端的rc網(wǎng)絡(luò)調(diào)制來自處理器的脈動序列,以便運放認定其為直流電壓。另外,這個網(wǎng)絡(luò)確保即便輸入接地時,最小輸入電壓也接近100mv,。當npn晶體管q1關(guān)閉時,最小電壓確保第一個運放的反饋回路不會折回正極去。如果使用雙極性供電,晶體管會有額外的電壓在地電壓下擺動,保持其處于導通區(qū)而不被關(guān)斷。npn型晶體管q1的射極電阻 決定電流范圍。微控制器由5v電壓驅(qū)動,輸出電流為20ma。而輸入接地的輸出電流小于1ma。12.5%的占空比驅(qū)動4ma的電流回路,顯示了整個范圍上的線性控制。盡管這并不是強制的,但大部分電流回路都有接地回路。第二個運放的目的是提供電流源,而不是前端電路的電流減小,提供接地回路。因此,pnp型晶體管q3提供高位驅(qū)動。雙極結(jié)合晶體管q1和q3滿足成本考慮,但也可以用mosfet獲得稍好的性能。
電路的開關(guān)反饋部分使微處理器分辨線路中存在的錯誤條件。處理器可執(zhí)行報警,關(guān)機或其他控制功能來減少安全隱患。當開環(huán)情況發(fā)生時,q3通過射-基極連接隔離整個回路電流,而通過680ω電阻接到運放。電壓經(jīng)過680ω電阻并導通q2,導致微處理器處于邏輯為1的反饋。注意到,對這類控制系統(tǒng)的“零”輸出狀態(tài)而言,開環(huán)回路需要至少1ma電流表征開路的功能,這個電流低于正常的4ma。
指令改變的響應(yīng)時間約為500毫秒,對大多數(shù)的電流回路控制設(shè)備是可接受的,例如控制閥門。如果選擇的微處理器有內(nèi)置a/d轉(zhuǎn)換器,響應(yīng)時間通過消除輸入濾波網(wǎng)絡(luò)的兩個多階幅值而減少。如果使用單電源拓撲,運放的選擇就很重要。運放維持接近其負極、地或軌的穩(wěn)定性是很重要的指標。
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