基于低成本MCU的电流环路校准器的设计与实现

电流源与测量

如图8所示，微控制器的数字输出通过SPI协议接口连接到带16位CMOS电流输出的数字/模拟转换器电路(AD420)。

图8：DAC框图。

通过这个电路就能获得4~20mA范围(取决于范围选择)内的电流输出值。SPI是微控制器的一种串行接口协议，能够同步收发8位数据。

为了进行电流测量，我们使用了微控制器内部的模拟/数字转换器模块。转换过程达到10位分辨率以上。我们是通过将电流流经0.47Ω电阻然后再送到微控制器上的ADC实现电流测量的。

所设计设备的灵敏度

本研究报告中使用的数模转换器(DAC)是16位分辨率，在4-20mA范围用的就是这个分辨率。我们可以用公式1确定获得的电流源灵敏度(Ss)：

公式1

我们可以认为，发送给DAC的数据发生的±1LSB变化是由输出端的±244.14nA差异造成的。但是，鉴于电流值只能输入小数点后三位这个事实，电流源分辨率是0.001mA。我们可以在嵌入式软件上调整这个精度值。

为了实现电流测量，电流需要流经一个阻值非常小的电阻，然后必须对这个电阻上的电压进行测量。在电流测量期间，需将电流测量设备串接到电路。因此可以预见的是，设备内部阻抗不会影响到电路，或者至少这个阻抗的影响是很小的。本例中的电流电压转换使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作为使用低值电阻的结果，在最大电流值时获得的电压值(Vacq)也是非常小的(参见公式2)。

公式2

为了将这个低电压提升到0~5V范围，我们用LF351设计了一个同相放大器电路。用公式3可以计算这个放大器的增益(G)，其中Vo代表输出电压，Vi代表输入电压。

公式3

最终结果是，在电流测量实现过程中达到的分辨率为10位，同时我们可以计算出测量精度(Sm)，见公式4。

公式4

对于4~20mA范围来说，这个值对应了足够高的灵敏度。由于所用运放的特性和噪声效应，这个灵敏度比会有所下降。

在数字/模拟转换过程结束时，就可以获得带模拟直流电平的电流。但要想用这里获得的电流驱动所连负载并保持线性工作，还存在一些最大值限制问题。其中一个限制是电流环电压一致性。这个术语描述了与电流输出端相连的负载上施加的最大电压。

在第一次试验时，我们使用的是DAC908。这个集成电路的特点是速度快，输出电流分辨率为8位。该集成电路的输出一致性限制是在-1.0V和+1.25V之间。这意味着电流输出端可以连接的最大负载电阻为1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，这个值对于使用24V电压实现电流环路的过程控制系统来说太低了。另外，这个集成电路是一种快速DAC。这样，由于高工作频率而很难获得这个频率值。基于上述这些理由，我们决定放弃DAC908，取而代之的是另一种数字/模拟转换器AD420。