4 - 20mA 電流轉多檔電壓電路原理圖

出處：網絡整理發(fā)布于：2025-05-27 14:10:47 | 540 次閱讀

工業(yè)自動化和傳感器應用領域，常常會遇到將 4 - 20mA 電流信號轉換為適合單片機等設備處理的 0 - 3.3V、0 - 5V、0 - 10V 或 0 - 15V 電壓信號的需求。這是因為工業(yè)傳感器通常采用電流大小來傳輸數據，而作為傳感器數據的接收方，如帶有內部 AD 的單片機，只能檢測電壓大小。因此，首先需要將電流信號轉換為電壓信號，然后進行電壓幅值變換，使其符合 MCU 處理的電壓范圍。下面我們將從設計的電流轉電壓的模塊電路原理圖出發(fā)，逐步進行詳細解析。

電流檢測放大部分

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

圖 1：電流檢測放大部分

解決 4mA 輸入對應 0V 輸出的問題

為了高效地利用單片機 AD 的量程，我們需要將電壓信號進一步放大。此時會面臨一個問題：如何使電流信號輸入為 4mA 時，電壓輸出是 0V 呢？解決這個問題的關鍵在于要輸出 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 組成一個跟隨器，當電流信號為 4mA 時，UA = 4 * 100 = 400mV。我們的目的是讓 U1A 的輸出此時為 0V，那么就需要 UA = UB。通過調節(jié) U1D 跟隨器的正相輸入端，利用電位器 RP2 改變分壓，就可以實現這一目標，從而完美解決了當輸入電流為 4mA 時輸出電壓為 0 的問題。

圖 2：解決 4mA 輸入對應 0V 輸出部分

放大電路

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

圖 3：放大電路部分

使用前設置事項

調零：輸入電流為 4mA 時，調節(jié)調零電位器直至輸出電壓為 0V。
調量程：輸入電流為 20mA 時，調節(jié)調量程電位器直至輸出電壓為目標量程電壓。
供電電壓：7 - 30V（若輸出要到 n V，供電電壓必須大于 (n + 2) V，這是因為運放不是軌對軌型，最大輸出值無法等于供電電壓值）。

模塊整體電路圖及相關問題解決

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