CN209327889U - 4-20mA程控精密电流源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种4‑20mA程控精密电流源，该电流源包括集成电流环、数模转换模块、微控制器、总线隔离模块、系统总电源以及电源隔离模块；系统总电源为微控制器提供工作电源，并通过电源隔离电路为集成电流环和数模转换模块提供工作电压，微控制器通过总线隔离模块、数模转换模块与集成电流环相连，集成电流环输出电流。本实用新型的设计适用于微安级电路，降低了输出误差，减少电磁脉冲干扰，具有高精度和高稳定性，其输出电流最大允许误差仅为±3μA，同时适用的环境条件范围更宽。

Description

4-20mA程控精密电流源

技术领域

本实用新型涉及一种基准电流源，尤其涉及一种微弱电流的精密直流源。

背景技术

中国在工业现场，通常会用仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，若采用电压传输会受到噪声的干扰，同时由于传输线有一定的阻抗，会产生压降，对传输产生较大的影响。为解决上述问题，通常会选用电流来传输信号，考虑到安全、功耗、成本等方面因素，往往电流的大小为4-20mA。上限取20mA是因为防爆的要求，20mA以内的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线，由于正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0，因此常取2mA作为断线报警值。这就是选取4-20mA电流源做模拟信号传输的原因。4-20mA电流源还能够在多功能校准仪、气象仪器计量检定、热工仪表校验仪等工业控制装置中作为基准电流源，为传感器或采集器的计量检定提供标准源。例如自动气象站数据采集器的辐射通道、蒸发通道的计量检定，再比如调整精密运放的失调电压和偏置等场合。

现有的4-20mA电流源一般是由基准电压源、运算放大器以及若干晶体管、电容等基础原件构成的，将0-5V模拟电压信号转成4-20ma电流信号。有一部分设计还具有过流保护功能。但是，这样的电路结构输出的电流源存在以下不足；(1)误差较大，现有的电流源转换误差一般为0.5％～1％，难以满足精密电流的准确性，不适用于微安级的电路中；(2)没有从硬件上采取一些隔离措施，也没有进行软件补偿，难以保证电路长期工作的精度保持。(3)输出电流不能程控。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种适用于微安级电路的程控电流发生器，具有高精度和高稳定性，其输出电流最大允许误差仅为±3μA，同时适用的环境条件范围更宽。

技术方案：本实用新型所采用的技术方案是一种4-20mA程控精密电流源，该电流源包括集成电流环、数模转换模块、微控制器、总线隔离模块、系统总电源以及电源隔离模块；系统总电源为微控制器提供工作电源，并通过电源隔离电路为集成电流环和数模转换模块提供工作电压，微控制器通过总线隔离模块与数模转换模块相连，数模转换模块输出连接集成电流环的输入，集成电流环输出电流I。

进一步的，所述电源隔离模块包括两个隔离电源，二者的输入端均连接总电源，第一隔离电源为数模转换模块以及集成电流环的初级提供5V的工作电压，第二隔离电源为集成电流环的次级提供12V的工作电压。

进一步的，该电流源还包括误差存储电路和串口校准电路，二者分别与微控制器相连，用于校准系统误差。

进一步的，所述数模转换模块包括数模转换器、缓冲电路以及基准电压源；数模转换器的输入端作为数模转换模块的输入，其将微控制器输出的数字信号转换为对应的模拟电压，通过缓冲电路与集成电流环相连；基准电压源输出的电压信号通过缓冲电路输入到数模转换器的参考电压端，作为数模转换的参考电压。

进一步的，所述数模转换器采用完全16位数模转换器。

优选的，所述数模转换器采用R-2R型数模转换器AD5541；所述缓冲电路采用失调电压为1μV、漂移低于0.005μV/℃的双通道运算放大器AD8629；所述集成电流环中的电阻采用的是精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻。

有益效果：本实用新型相比现有技术，具有一下优点：1、在电路中分别使用光耦和DC-DC对总线和电源进行隔离，减小数字系统的干扰，降低输出误差，还可以减少电磁脉冲干扰；2、选择高精度低温漂的数模转换器，将电流误差控制在极小范围内，提高了输出电流的精度以及输出稳定性，能够应用于微安级的电路中。

附图说明

图1是程控精密电流源系统结构；

图2是微控制器上电电路；

图3是数模转换模块和集成电流环电路图；

图4是总线隔离和电源隔离电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

本实用新型所述的微弱精密电流源系统结构如图1所示，主要包括总电源、微控制器、总线隔离、完全16位DAC、缓冲电路、集成电流环、串口校准电路、误差存储电路、电源隔离电路和基准电压。其中总电源为整个电路提供5V的工作电压。微控制器为控制核心，主要任务是根据不同的输出电流产生对应的数字编码。数字信号通过总线隔离芯片后，与完全16位DAC相连，完全16位DAC根据收到的数字量，转换成对应的模拟电压。完全16位DAC也称做真16位DAC。总线隔离的主要作用是减小微控制器数字系统对模拟电路的干扰。基准电压芯片产生2.5V的标准电压信号，经过缓冲电路后，接入到完全16位DAC的参考电压输入端，作为数模转换的参考电压。完全16位DAC输出的模拟电压经过缓冲电路后，控制集成电流环输出对应的电流信号。集成电流环输出电流大小与DAC的电压成线性关系。为提高电流环的精度，隔离电源芯片将系统电源隔离后，为集成电流环的输出端提供工作电压。

除了采用总线隔离、电源隔离提高系统精度外，还采用软件补偿措施。电脑可通过串口校准电路与系统通信，利用六位半万用表测量系统在零点和满刻度时的输出值，计算系统偏离标准值的差值，然后利用电脑将差值写入到系统中。微控制器将差值写入到误差存储电路中。以后正常工作时，微控制器会根据差值对DAC的数字量进行相应补偿调整，使输出电流达到标准值。

(1)微控制器

微控制器可选用目前主流的单片机。本实施例中采用低功耗的MSP430F169作为主芯片。主要完成功能有：16位DAC数字量的产生、与电脑通信的控制、误差的计算存储等，误差存储器使用芯片内部的Flash存储器。芯片的引脚分配如表1所示，微控制器引脚分配以及上电电路如图2所示。

表1MSP430F149引脚分配表格

(2)总线隔离

微控制器通过数据总线和地址总线与完全16位DAC相连。微控制器通过串行数据线将数字量送入DAC芯片。为减小微控制器对模拟电路的干扰，采用总线隔离芯片ADUM1401实现总线隔离。

(3)数模转换器和集成电流环

作为电流、电压产生的核心，数模转换器的选择是关键。根据高精度、低温漂的要求，在选择数模转换器时应考虑分辨率、温漂、失调误差等参数，故采用R-2R型数模转换器AD5541，考虑到数模转换器AD5541同时需要输入输出缓冲，选择双通道运算放大器AD8629，其失调电压为1μV，漂移低于0.005μV/℃。利用运放设计调理电路信号进行加减运算，调整输出电压的范围并提高分辨率。电路中的电阻性能直接影响到运算精度，故选用精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻，保证运放电路的高精度。电路图如图3所示。

集成电流环可将直流电压转换为对应的电流信号。由DAC产生的模拟电压经过缓冲后，输入到集成电流环的电压控制端。集成电流环会产生与电压成线性关系的电流输出。为达到精密电流的输出，集成电流环由TI公司的XTR115组成。精密电流输出变送器XTR115，可在工业标准电流环内提供精准电流4-20mA。设加载到XTR115上的电压为Vin，则输出电流Iout为：

若Vin的大小为0.4-2V，则集成电流环输出的电流范围为4-20mA，与常用的电流变送器的输出范围保持一致。

(4)缓冲电路

完全DAC芯片AD5541没有内部参考电压，故需要外接。利用基准电压芯片ADR421产生2.5V基准电压，通过缓冲电路后，输入到DAC的参考电压端，作为数模转换的参考电压信号。

另外，AD5541无输出缓冲，故DAC输出的模拟电压，通过缓冲电路后输出。减小负载对其影响。缓冲电路由极低失调电压运放AD8629构成。

(5)电源隔离

集成电路的输出端需要一个激励电压源。为提高系统精度，采用独立的电源设计。故利用隔离电源将总电源隔离后，作为电流环的激励电压信号。为避免微控制器等数字系统和数字电源对信号产生电路的干扰，在电路中分别使用光耦和DC-DC对总线和电源进行隔离，即设计总线隔离以及电源隔离模块。电源隔离模块包括两个隔离电源，二者的输入端均连接总电源，第一隔离电源(隔离电源1)为数模转换模块以及集成电流环的初级提供5V的工作电压，第二隔离电源(隔离电源2)为集成电流环的次级提供12V的工作电压。隔离电源2的电路和隔离电源1的电路结构相同，只不过将隔离电源芯片更换成05S12。隔离电源2输入电压为总电源，输出12V的电压，用于集成电流环的输出电流的激励。

光耦将DAC和微控制器通信的SPI总线进行隔离，以减小数字系统带来的干扰。隔离器件采用四通道数字隔离器ADUM1401，该芯片支持多种通道配置和数据速率，同时可以防止雷电或过电压给转换电路造成破坏，减少电磁脉冲干扰的破坏性。采用DC/DC芯片05S05JY3将电压和数模转换模块的5V与其它电源进行隔离。该隔离器具有纹波小、噪声低的优点。总线和电路隔离电路如图4所示。

(6)串口校准电路和误差存储电路

串口校准电路主要是实现微控制器电脑上位机的通信。可利用串口和TTL电平转换芯片实现。使用六位半数字万用表测量电路的实际输出，通过串口校准电路将该值发送至微控制器，微控制器计算实际值和标准值之间的偏差，并将该偏差存储在误差存储电路中，在掉电时仍然保存。以后正常工作时，微控制器会根据偏差调整相应的数字量，即调整了DAC的模拟电压，最终实现电流信号的相应调整。误差存储电路为常用的串行存储，串口校准电路为常用的串口电路，本实施例中采用MAX232芯片构成TTL转RS-232电路。

本实用新型设计的微弱精密源，能够在较宽的环境温度(10°～30°)和湿度(20％～75％)范围内，电路输出的电流的最大允许误差仅为±3μA，可作为标准源用于计量检定仪器中。

Claims (8)

1.一种4-20mA程控精密电流源，其特征在于：该电流源包括集成电流环、数模转换模块、微控制器、总线隔离模块、系统总电源以及电源隔离模块；系统总电源为微控制器提供工作电源，并通过电源隔离电路为集成电流环和数模转换模块提供工作电压，微控制器通过总线隔离模块与数模转换模块相连，数模转换模块输出连接集成电流环的输入，集成电流环输出电流(I)。

2.根据权利要求1所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述电源隔离模块包括两个隔离电源，二者的输入端均连接总电源，第一隔离电源为数模转换模块以及集成电流环的初级提供5V的工作电压，第二隔离电源为集成电流环的次级提供12V的工作电压。

3.根据权利要求1所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：该电流源还包括误差存储电路和串口校准电路，二者分别与微控制器相连，用于校准系统误差。

4.根据权利要求1所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述数模转换模块包括数模转换器、缓冲电路以及基准电压源；数模转换器的输入端作为数模转换模块的输入，其将微控制器输出的数字信号转换为对应的模拟电压，通过缓冲电路与集成电流环相连；基准电压源输出的电压信号通过缓冲电路输入到数模转换器的参考电压端，作为数模转换的参考电压。

5.根据权利要求4所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述数模转换器采用完全16位数模转换器。

6.根据权利要求4所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述数模转换器采用R-2R型数模转换器AD5541。

7.根据权利要求4所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述缓冲电路采用失调电压为1μV、漂移低于0.005μV/℃的双通道运算放大器AD8629。

8.根据权利要求1所述的4-20mA程控精密电流源，其特征在于：所述集成电流环中的电阻采用的是精度万分之一、温漂2ppm/℃的精密电阻。