工業(yè)自動(dòng)化和傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，常常會(huì)遇到將 4 - 20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)等設(shè)備處理的 0 - 3.3V、0 - 5V、0 - 10V 或 0 - 15V 電壓信號(hào)的需求。這是因?yàn)楣I(yè)傳感器通常采用電流大小來傳輸數(shù)據(jù)，而作為傳感器數(shù)據(jù)的接收方，如帶有內(nèi)部 AD 的單片機(jī)，只能檢測(cè)電壓大小。因此，首先需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后進(jìn)行電壓幅值變換，使其符合 MCU 處理的電壓范圍。下面我們將從設(shè)計(jì)的電流轉(zhuǎn)電壓的模塊電路原理圖出發(fā)，逐步進(jìn)行詳細(xì)解析。

電流檢測(cè)放大部分

首先來看電流檢測(cè)放大部分，即 U1B 部分。電流從 R1 的上端流入，下端流出。從電路結(jié)構(gòu)不難看出，這是一個(gè)差分放大電路，也就是一個(gè)減法運(yùn)算電路。根據(jù)差分放大電路的原理，輸出電壓 UA = (R5 / R3) * (U1 - U2)，在這個(gè)電路中，由于 R5 = R3，所以 UA = U1 - U2，UA 即是電阻 R1 兩端的電壓差。假設(shè)流過該電阻的電流為 20mA，根據(jù)歐姆定律 U = IR，這里 R = 100Ω，那么產(chǎn)生的電壓為 20 * 100 = 2000mV。然而，這個(gè)電壓還沒有達(dá)到我們單片機(jī)的電壓測(cè)量范圍（這里默認(rèn)單片機(jī) AD 檢測(cè)的范圍為 0 - 5V）。

圖 1：電流檢測(cè)放大部分

解決 4mA 輸入對(duì)應(yīng) 0V 輸出的問題

為了高效地利用單片機(jī) AD 的量程，我們需要將電壓信號(hào)進(jìn)一步放大。此時(shí)會(huì)面臨一個(gè)問題：如何使電流信號(hào)輸入為 4mA 時(shí)，電壓輸出是 0V 呢？解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于要輸出 0V 電壓，這里我們還是要用到減法器。
圖中 U1A 組成減法電路，其輸出電壓等于 UA - UB。U1D 組成一個(gè)跟隨器，當(dāng)電流信號(hào)為 4mA 時(shí)，UA = 4 * 100 = 400mV。我們的目的是讓 U1A 的輸出此時(shí)為 0V，那么就需要 UA = UB。通過調(diào)節(jié) U1D 跟隨器的正相輸入端，利用電位器 RP2 改變分壓，就可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而完美解決了當(dāng)輸入電流為 4mA 時(shí)輸出電壓為 0 的問題。

圖 2：解決 4mA 輸入對(duì)應(yīng) 0V 輸出部分

放大電路

接下來要添加的是放大電路，將 U1A 的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。在這里 U1C 的作用即是最終放大。在使用時(shí)，將輸入電流設(shè)置為 20mA，通過調(diào)節(jié) RP1 電位器，也就是調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)，直至輸出電壓為 5V 或其他量程的 10V、15V，即可完成對(duì)量程的設(shè)置。

圖 3：放大電路部分

使用前設(shè)置事項(xiàng)

• 調(diào)零：輸入電流為 4mA 時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器直至輸出電壓為 0V。
• 調(diào)量程：輸入電流為 20mA 時(shí)，調(diào)節(jié)調(diào)量程電位器直至輸出電壓為目標(biāo)量程電壓。
• 供電電壓：7 - 30V（若輸出要到 n V，供電電壓必須大于 (n + 2) V，這是因?yàn)檫\(yùn)放不是軌對(duì)軌型，最大輸出值無(wú)法等于供電電壓值）。

模塊整體電路圖及相關(guān)問題解決

下面是模塊整體的電路圖。我們可以看到圖中使用的運(yùn)放為 LM324，此運(yùn)放不是軌對(duì)軌的運(yùn)放，這就導(dǎo)致運(yùn)放的最低輸出電壓不可能等于 0V。即便是軌對(duì)軌運(yùn)放，最低輸出還是會(huì)有 mV 級(jí)別的電壓。為了解決最低輸出不為 0V 的問題，我們將供電改為正負(fù)電源，利用 ICL7660 芯片產(chǎn)生一個(gè)負(fù) 5V 電壓作為負(fù)電源。圖中 D1 二極管起到防止電源反接的作用。

圖 4：模塊整體電路圖