高精度4-20mA恒流源电路的设计

作者：荆海霞

来源：《科学时代》2010年第06期

[摘要] 4-20mA电流输出,在远程智能工业控制中占有重要的地位。本设计提出的高精度可编程恒流源系统,以STC89C52单片机、AD421数模转换器为核心,经分析、处理后,可实现高精度的恒流输出,以为工业设备校准提供精密参考信号。 [关键词] 4-20mA电流 恒流源 AD421 单片机 高精度 1.引言

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源,现代电子技术的广泛应用,促进了对恒流源的需求。例如高精度恒流源在为智能仪器仪表的检测和为工业设计提供精密参考信号发挥了很好的作用。本设计,提出了一种廉价的高精度可编程恒流源的设计方案,使用单片机作为系统的控制核心,通过16位电流输出型DA 转换器AD421输出电流信号。在实际测试中,恒流输出精度表现出色,达到了设计得要求。 本设计具有如下优点:

(1)电流可以由用户自行调整,并通过液晶显示器与用户交互; (2)经过软件校正后,电路线性相对较好, 精度可达到±1uA; (3)电路简单, 容易实现;

(4)可用于对防爆有特殊要求的工业现场。 2.系统分析

4—20mA可编程恒流源的功能模块图如图1所示。

通过单片机给AD421提供数字信号,经AD421转换后输出4-20mA电流;由于AD421环流输出电路的模拟部分的影响,导致输出电流呈现一定的非线性,本设计通过软件对其进行了校准,使恒流源的精度达1uA;输出电流大小可由用户通过键盘自由设定,并通过液晶显示出来;且由于单片机和AD421之间通过光耦合实现了隔离,使其可用于对防爆有特殊要求的工业现场。

3.基于AD421的主硬件电路设计

AD421是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器。它由电流环路供电,16位数字信号以串行方式输入,4-20mA电流输出。本质上来说,AD421提供了三个功能:将来自微处理器的数字函数变为模拟函数;用作环电流放大器;提供将环流作为能源的稳定的工作电压调节器。以AD421为核心的主硬件电路的設计如图2所示。

图2中,为实现与数字控制系统的隔离,AD421的三根串行接口与单片机的连接采用了光耦合。

4.软件设计

以单片机为核心,软件设计完成以下任务:

(1)根据用户设定的电流输出值,完成键盘扫描及液晶显示; (2)对AD421的输出控制;

(3)由于AD421环流输出电路的模拟部分的影响,导致输出电流呈现一定的非线性。经测试发现,电流每提高0.5mA,输出电流则偏大1uA,在软件中分段进行校正; (4)将经软件校正过的电流输出值进行液晶显示。 根据以上任务得软件流程图如图3所示。

参考文献:

[1] 蒋鹏.高精度4-20mA可编程恒流源[D].西安:西安外事学院,2009. [2] 荆海霞.AD421在热电偶测温系统中的应用[J].科技信息,2008.35. [3] Analog Devices,Inc.AD421:Loop-Powered 4-20mA DAC,Data Sheet.

[4] 李广第,朱月秀,冷祖祁.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007. [5] 周琳勃.热电偶K分度线性化[D].西安:西安外事学院,2008. 作者简介:

荆海霞(1976-),女,山西万荣人,西安外事学院工学院专职教师,讲师,2003年毕业于西北工业大学电子工程系系统工程专业,硕士。主要从事电子线路、信号与系统、数据融合方面的教学与科研工作。