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单片机控制4-20mA输出

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利用单片机构成高精度 PWM式 12位D/A

[ 一 ]. 前言 在用单片机制作的变送器类和控制器类的仪表中，需要输出 1— 5V或4— 20mA的直流信号的时候，通常采用专用的 D/A芯片，一般 是每路一片。当输出信号的精度较高时， D/A 芯片的位数也将随之增

加。在工业仪表中，通常增加到12位。12位D/A的价格目前比单片 机的价格要高得多， 占用的接口线数量也多。 尤其是在需隔离的场合

时，所需的光电耦合器数量与接口线相当， 造成元器件数量大批增加，

使体积和造价随之升高。如果在单片机控制的仪表里用 PWM方式完成

D/A输出，将会使成本降低到12位D/A芯片的十分之一左右。我们 在S系列流量仪表中采用了这种方式， 使用效果非常理想。下面介绍

一下PWM方式D/A的构成原理。

[ 二 ]. 电路原理

一般12位D/A转换器在手册中给出的精度为士 1/2LSB,温度漂 移的综合指标在20— 50ppm/C,上述两项指标在级仪表中是可以满 足要求的，下面给出的电路可以达到上述两项指标。

图1中的T是固定宽度，T的宽度是可变的。T分为 5000份， 每份2us。所以T的最大值T max=2x 5000=10000us,这就是T的宽 度。当T =T时，占空比为1, Vo= T =0时，Vo=0V这种脉冲电压 经过两级RC滤波后得到的电压可由下式表示：

V

1

0 T 1 T t

團1

+5 oooir

VM 必须是精密电压源。Vo与占空比成正比，且线性较好，这种 方式在理论上是很成熟的，但实际应用上还存在一些问题。图2是实 际线路，其中单片机可用 8098或8031两种常用芯片，VM的数值为 士 2mV

D/A与单片机必须是电气隔离的。否则数字脉冲电流产生的 干扰会影响D/A精度，从示波器可以看到高达50mV的干扰毛刺电压， 因此有必要加光电隔离。经隔离后的脉冲驱动模拟开关 CD4053

CD4053是三组两触点模拟开关，由 PWM永冲控制开关的公共接点使 之与+和地接通，在VI得到与单片机输出相一致的 PWM波形。该波形 经两级RC滤波后由运放构成的电压跟随器输出 Vo。其中RC的时间 常数一般取RO 2T,这样两级RC加起来就会得到纹波小于3mV的直 流电压，本电路中 RC=220m,如果想进一步减小纹波，可适当提高 RC的乘积，但电路的响应速度也会放慢。

用运放做RC滤波器输出的缓冲大有益处。它不仅提高了滤波电路带载能力，而且使线性度得到了提高。通过实验可知，这一级运放 的的缓冲作用是保证整个D/A精度和线性度的重要环节。尽管 RC滤

波器无负载，处在非常理想的条件下工作，但 Vo并不完全与占空比

图中的曲线1表示理想值，曲线2表示实测值。由图中可见，曲 线2的根部不太理想。这是因为所使用的电容不是纯电容， 其中含有 一定的电感。在占空比极小时，由于脉冲非常窄，它产生的高次谐波 的频率很高，电感对高次谐波的感抗较大，因此在脉冲沿的位置上， 尽管电压变化很大，但实际实际给电容充电却很小。 这样就在窄脉冲

时产生非线性。当采用无感电容时，这种非线性有较大改善，但仍不 能完全吻合。由于无感电容容量太小，价格也较高，所以在大时间常 数滤波电路中没有实际意义。在实际使用中解决这一问题的方法是舍 弃根部非线性部分，只用线性部分，在工业仪表中，标准的信号一般 为1— 5V或4—20mA而曲线2的非线性部分在以下，所以当采用 1

—5V输出信号时，精度为 儘全满足12位D/A要求。

除精度满足要求外，温度特性也必须满足要求。影响温度特性的 原因主要是5V精密电源和运算放大器的温度特性。为不使价格太高，

选用2DW232精密稳压二极管，运放的电阻与滤波电阻要匹配且温度

系数w 25ppm运算放大器选择温漂w 10uV/C的均可，一般廉价低温 与理想值有一些误差，如图3所示。

33ppm/C。

［三］.实测数据

由于这个线路是在级精密仪表中使用的，因此要求线性度和温度 特性必须满足要求，另外，这个数据是测量 V/I转换后4-20mA电源 值与给定电流值之间的误差。这个误差还包含了 V/I转换的误差。因

此实际的D/A自身的误差比总误差要小。

+

+

+

线性=△ max/20=

20 °C 60. °C

△=

△=

温度漂移=△ max/2OX 40=33ppm/C

由以上数据可知，满量程的线性度为 %满量程的温度漂移

为％/10C，系统响应时间约为，输出信号与标准值相差 ％寸所用的时 漂运放都可满足这个指标。采用上述措施后 D/A的总温度漂为

Igd(mA) lo(mA) △ =lo -Igd 间为 11s。

[ 四 ]. 结束语

上面所介绍的 D/A 电路结构简单， 原理易懂， 在 8098 及 8031

单 片机上都可以应用，笔者采用 8098 单片机的四路高速输入输出同时

控制四路精密 D/A 输出。后面加一级 V/I 转换电路，构成标准的 4—

20mA电流输出，电路经一年多的现场实际应用，效果很好，适于目 前级仪表的全部要求。

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二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计

二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计

二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计

模拟工控网上用的4-20 mA 标准电流信号是工业上最常用的信号传输方法之一。本文将介绍二线制方式的标准电流输出为4-20mA 的变送电路。通过对集成电路AM462（电压电流转换变送电路）的应用举例，介绍了如何实现工业上常用的二线制变送接口电路，而它可以为程控机PLC 等直接传输信息。针对不同的控制设备，介绍了相应的电路元器件的计算方法。

注意：下面的介绍对于AMG 公司生产的所有电压电流转换集成电路（AM400,

AM402,AM422, AM442, AM460）原则上都是适用的[1]。

模拟电路接口

工业上通常用电压0-5(10)V 或电流0(4)-20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。

电压信号传输 比如0-5(10)V

如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器OP 来做接收方的输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于 <1MΩ 。原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起很明显的误差。所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。

电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号0-5(10)V 的。

4个常用的4~20mAIV电路

4个常用的4~20mAIV电路

推荐4个实用的4〜20mA输入/0〜5V输岀的I /V转换电路

、最简单的4〜20mA输入/1〜5V输岀的I /V转换电路应用示意图:

KV转换取样电阻

4〜20mA输入/5H输出的I /业转换电路

在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器（变送器）输出的rioo或 者广20砧电流信号转换成为电压信号.住往都会在后级电路的最前端配置一个 转换电路，图1就是这种电路最简单的应用示竟图。

仅仅使用一只m转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取 样电阻可成按.BgVin/ I=R求出，町瓦是卑片机需要的满度A / D信号电氐I呈输入 苗畫大蓿号电流“

这种电路虽然简单，但是却不实用，首先，其实际意义是零点信号的时候， 会有一个零点电流流过取样电阻，如果按照4辽Q砧输入电流转换到最大5Y电压未 分析，零点的时候恰好就是这个M在单片机资源足够的时候，可吐由单片机 软件去减掉它。可是这样一来°其有用总压就会剩下5-l=4V而不是5VT.由干单 片机的A/D最大输入电压就是单片机的供电电压，这个电压通常就是吕已因此， 处理这种简单的输入转换电路时比较麻烦°为了达到心/D转换的位数，就会导致 芯片成本增加&

、廉价运放 LM324搭的廉价的4〜20mA输入/0〜5V输岀的I / V转换电路:AD输入

R 4〜20mA信号

廉价运放LU32＜的廉价的4~2WA输入/5V输出的I /Y转换电路

图2采用的星廉价运放LM324搭的廉价的20mA输入/製输岀的I / ¥转换电路， 其对寒点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4血时在 RAO上的压降。有了运算放大器！还使得RAO的取值可以更加小，因为这时信号电压 不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把4-20KLA 电流转换危为0〜冈电压了。

使用运算放大器也会带来一些麻烦，尤其在注重低成本的时候，选择的运放往 往是最最廉价的，运放的失调与漂移，以及因为运放的供电与单片机电路供电的稳 定性，电源电压是否可以保证足够稳定，运放的输入阻抗是否对信号有分流影响， 以及运放是否在整个信号范围内放大特性平坦，如此等等，造成这种廉价电路的实 际效果不如人意.

气动阀门执行器的控制方式

气动阀门执行器的控制方式

气动阀门执行器的控制方式

由于现在的控制方式和手段越来越多,在实际工业生常和工业控制中,用来控制气动执行机构的方法也很多,常用的有以下几种;

一基于单片机开发的智能显示仪控制

智能显示仪是用来监测阀门工作状态,并控制阀门执行期工作的仪器,它通过两路位置传感器监视阀门的工作状态,判断阀门是处于开阀还是关阀状态,通过编程记录阀门开关的数字,并且有两路与阀门开度对应的4～20mA输出及两足常开常闭输出触点;通过这些输出信号,控制阀门的开关动作;根据系统的要求,可将智能阀门显示仪从硬件上分为3部分来设计：模拟部分、数字部分、按键/显示部分;

1、模拟电路部分主要包括电源、模拟量输入电路、模拟量输出电路三部分;

电源部分供给整个电路能量,包括模拟电路、数字电路和显示的能源供应;为了实现阀门开读的远程控制,需要将阀门的开度信息传送给其他的控制仪表,同时控制仪表能从远方制定阀门为某一开度,系统需要1路4～20mA的模拟量输入信号和1～2路4～20mA的模拟量输出信号;模拟量输入信号通过A/D转换变成与阀门开度相对应的数字信号后送给数字部分的单片机,在单片机中对它进行滤波处理后就可以输出了;阀门的开度信息通过D/A转换后变成模拟信号输出,用来接显示仪显示阀门开度或连接其他的控制设备;在本设计系统中,所有的数字量数据均采用串行的输入输出方式,为了节省芯片资源和空间,输入的4～20mA的模拟量在转化为数字量时,采用已有的4路DA芯片与单片机的系统资源相结合作8位的AD使用;

2、数字电路部分主要包括：单片机、掉电保护、两路监测脉冲输入信号、两路常开常闭转换触点输出;

在设计方案中选用目前普遍使用的51系列单片机AT89C4051;AT89C4051是一款低电压、高性能的CMOS8位微控制器,它具有4K字节的可擦除、可重复编程的只读闪存;通过在单芯片内复合一个多功能的8位CPU闪存,在性能、指令设定和引脚上与80C51和80C52完全兼容;

露点仪说明书

露点仪说明书

TA2000-DP型在线露点仪

使用说明书

1. 概论

TA2000-DP型露点仪，是我公司最新研发的新型高精度在线式露点仪；该仪器采用进口薄膜电容式湿度传感器，结合单片机控制技术，具有测量精度高、使用操作简便的特点，具有一个可编程报警点；一个可编程电流（4-20mA）输出、一个电压（0-5V.DC）输出、一个RS485数据通讯口。

本仪器采用绿屏1602显示器，高亮度，无视角影响，直观醒目，采用交流220V供电；

TA2000-DP型露点仪，广泛适用于空分、石油化工、天然气、冶金、电子电力、机械制造及其它行业中的各种气体中水分含量的检测。

2. 主要技术参数

1. 测量范围：-100--+20℃；

2. 不确定度：≤±2℃；

3. 分辨率：0.1℃；

4. 响应时间：T90≤15min（注意：露点越低响应时间越长）

5. 稳定性：零点漂移≤±1.5℃/7d；

量程漂移≤±1.5℃/7d；

6. 重复性：≤±1℃；

7. 样气流量：3000—5000mL/min； 8. 样气压力：0.5MPa≤入口压力≤1MPa；

9. 工作环境：运行温度：-20℃--+60℃;

运行湿度：≤90%RH；

10. 供电电源：交流85V-265V。AC、50/60Hz、功耗小于10VA

11. 充电电源：--220V±10%，50HZ；

12. 重量：约5kg；

3.6采样气体

为使测量准确请尽量缩短被测气体与传感器的气流回路；采样气体的管道不应有任何泄露，气体流速控制在2500—3000mL/min。

3.7模拟输出

本仪器同时具备0-5V.DC和4-20mA模拟输出接口，在传感器的测量范围以内可以任意编程设置其对应输出范围。

3.8报警输出

此仪器具有一个可编程报警点，在传感器的测量范围以内可以任意编程设置其报警点、报警模式，同时具备一个独立的报警开关，此开关的触点功率容量为AC 125V 0.3A、 DC110V 0.3A、DC 30V 1A。