CN211554775U - 一种电流转电压的高精度转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种电流转电压的高精度转换器，通过简单的电路把4‑20mA的电流信号转换成1‑5V，再通过自带有10位ADC转换电路的STC15F系列单片机内部的带隙基准电压为电压基准对输入信号进行采集，把1‑5V转换成与电流信号成线性关系的0‑5V的模拟或数字信号，通过单片机的串口转换成RS232/RS485信号发送给其他应用系统使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及电流电压信号的转换技术领域，尤其涉及一种把标准电流4-20mA转成模拟电压0-5V的电流转电压的高精度转换器。
背景技术
在计算机自动测控系统的设计中，为减少信号在传输过程中的干扰及损耗，使系统的各部分标准化，特别是输入信号的标准化，经常把温度、压力、液位、速度等各种物理量变化变成4-20mA电流信号，作为传感器数据的接收方，一般为单片机等微控制器对接收的数据进行处理，那么在接收端首先必须将电流信号转换为电压信号，然后进行电压幅值变换使其适合MCU处理的电压范围，单片机等微控制器处理的电压信号一般小于等于其电源电压，一般单片机的工作电压小于等于5V，因此，通常通过I/V变换电路把4-20mA的电流变成0-5V直流电压，供单片机等微控制器进行数据处理，把4-20mA的电流变成0-5V直流电压的I/V变换电路通常采用专用芯片或用运算放大电路进行处理，采用专用芯片虽然外围电路简单，但价格贵，成本高；而采用运算放大电路的处理方法是在前端运算放大器的反相输入端叠加一个调整电压，使之当输入电流为4mA时对应的电压为0V，但这类硬件电路比较复杂，还需要用到运算放大器，而且由于放大器中存在非线性及零点飘移等因素，很难得到精确的0-5V电压信号。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种电流转电压的高精度转换器。
本实用新型采用的技术方案是：
一种电流转电压的高精度转换器，其包括I/V转换电路、单片机和串行通信接口，I/V转换电路的输入端接入前端传感器的4-20mA标准电流，I/V转换电路的输出端连接单片机IO口，I/V转换电路将4-20mA标准电流对应线性转换为1-5V的电压信号输出；单片机采样输入口VIN 输入1-5V的模拟量电压信号，经过模数转换后，线性转换为相应0-5V的数字量电压信号输出至串行通信接口。
进一步地，I/V转换电路包括250Ω精密电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2和稳压二极管VD1，前端传感器接入电路输入端，电路输入端分别连接电容C1、250Ω精密电阻R1和电阻R2的一端，电容C1和250Ω精密电阻R1另一端分别接地，电阻R2的另一端、电容C2的一端和稳压二极管的阴极分别连接电路输出端，电容C2的另一端和稳压二极管的阳极分别接地，电路输出端输出1-5V的电压信号。
进一步地，单片机采用STC15F2K60S2单片机，
进一步地，单片机内部集成复位电路和时钟电路，同时集成有8路的10位ADC转换器。
进一步地，电阻R2取值为10KΩ，电容C1和电容C2均为100 nF，稳压二极管的稳压值为5.1V。
进一步地，串行通信接口为RS232/RS485通信接口。
本实用新型采用以上技术方案，首先通过简单的电路把4-20mA的电流信号转换成1-5V，再通过自带有10位ADC转换电路的STC15F系列单片机内部的带隙基准电压为电压基准对输入信号进行采集，把1-5V转换成与电流信号成线性关系的0-5V的数字信号，通过单片机的串口转换成RS232/RS485信号发送给其他应用系统使用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；
图1为本实用新型一种电流转电压的高精度转换器的原理方框图；
图2为本实用新型I/V转换电路示意图；
图3为本实用新型1-5V转0-5V转换关系图；
图4为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
如图1至4所示，本实用新型公开了一种电流转电压的高精度转换器，其包括I/V转换电路、单片机和串行通信接口，I/V转换电路的输入端接入前端传感器的4-20mA标准电流，I/V转换电路的输出端连接单片机IO口，I/V转换电路将4-20mA标准电流对应线性转换为1-5V的电压信号输出；单片机采样输入口VIN 输入1-5V的模拟量电压信号，经过模数转换后，线性转换为相应0-5V的数字量电压信号输出至串行通信接口。
进一步地，I/V转换电路包括250Ω精密电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2和稳压二极管VD1，前端传感器接入电路输入端，电路输入端分别连接电容C1、250Ω精密电阻R1和电阻R2的一端，电容C1和250Ω精密电阻R1另一端分别接地，电阻R2的另一端、电容C2的一端和稳压二极管的阴极分别连接电路输出端，电容C2的另一端和稳压二极管的阳极分别接地，电路输出端输出1-5V的电压信号。
进一步地，单片机采用STC15F2K60S2单片机，单片机内部集成复位电路和时钟电路，同时集成有8路的10位ADC转换器。
进一步地，电阻R2取值为10KΩ，电容C1和电容C2均为100 nF，稳压二极管的稳压值为5.1V。
进一步地，串行通信接口为RS232/RS485通信接口。
下面就本实用新型具体原理做详细说明：
本实用新型专利主要由I/V转换电路、单片机系统、RS232/RS485接口模块组成，系统结构如图1所示，其中I/V转换电路是把4-20mA的电流转换成1-5V的电压信号，再通过单片机进行数据转换后输出0-5V数字信号通过通信接口RS232/RS485输出。
I/V转换电路如图2所示，前端传感器的4-20mA的电流信号经过阻值为250
的精密电阻R1后产生1-5V的直流电压，再经电阻R2及电容C2滤波后输出送给单片机的I/O口，由单片机进行ADC转换和数据处理，图2电路中的稳压二极管VD1的稳压值为5.1V，作用是保护单片机的IO口，防止某个瞬间R1上的电压突然增大而烧坏单片机。
单片机系统采用STC15F2K60S2系列单片机，该单片机内部集成了复位电路、时钟电路，集成有8路的10位ADC转换器。一般单片机内部ADC模数转换器是以单片机的电源电压Vcc（+5V）作为基准电压，但由于电源电压受外界因素的影响，供电电压容易发生变化，因此，ADC读得的值也会发生变化，存在一定的误差。为提高ADC转换的精度，本实用新型采用STC15F2K60S2系列的单片机的内部带隙基准电压（BandGap），由于内部带隙电压很稳定，不会随芯片的工作电压及温度的改变而变化,所以可以通过读出单片机内部的带隙基准电压，然后通过ADC的值便可反推出Vcc的电压，从而用户可以削除外部电源波动而引起的误差。
STC15F2K60S2单片机的ADC的第9通道是用来测试内部的带隙电压的，可以通过两次测量和一次计算便可得到外部的精确电压，由于两次测量的时间间隔很短，Vcc的电压在此期间的波动可忽略不计从而能精确的测量外部的电压值。
传感器的4-20mA的电流信号经I/V转换电路变换后的1-5V电压，由单片机读入后要把1-5V电压转换成0-5V，其转换关系如图3所示，其中线段AB为单片机IO口读入的取样电压1-5V，线段CD为转换后0-5V的电压，设4mA时的电流记为I4，对应转换的电压为V4，20mA的电流记为I20，对应的电压为V20，线段CD的斜率为KCD, 线段AB的斜率为KAB，Ix为某时刻的电流，Vx为对应的电压，Vo为最后转换的电压。本实用新型实现了4-20mA的电流信号精确的转为0-5V的电压信号，再通过RS232或RS485通信接口发送给其他应用系统。
本实用新型采用以上技术方案，首先通过简单的电路把4-20mA的电流信号转换成1-5V，再通过自带有10位ADC转换电路的STC15F系列单片机内部的带隙基准电压为电压基准对输入信号进行采集，把1-5V转换成与电流信号成线性关系的0-5V的数字信号，通过单片机的串口转换成RS232/RS485信号发送给其他应用系统使用。本实用新型的转换电路简单，外围电路少； ADC转换电路采用STC15F系列单片机内部集成的10位ADC，且基准电压为内部提供的带隙基准电压，精度高，不受外部因素的影响。采集到的0-5V电压信号可通过RS232/RS485接口发送给其他系统直接使用。
Claims (5)
1.一种电流转电压的高精度转换器，其包括I/V转换电路、单片机和串行通信接口，I/V转换电路的输入端接入前端传感器的4-20mA标准电流，I/V转换电路的输出端连接单片机IO口，I/V转换电路将4-20mA标准电流对应线性转换为1-5V的电压信号输出；单片机采样输入口VIN 输入1-5V的模拟量电压信号，经过模数转换后，线性转换为相应0-5V的数字量电压信号输出至串行通信接口；其特征在于：I/V转换电路包括250Ω精密电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2和稳压二极管VD1，前端传感器接入电路输入端，电路输入端分别连接电容C1、250Ω精密电阻R1和电阻R2的一端，电容C1和250Ω精密电阻R1另一端分别接地，电阻R2的另一端、电容C2的一端和稳压二极管的阴极分别连接电路输出端，电容C2的另一端和稳压二极管的阳极分别接地，电路输出端输出1-5V的电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种电流转电压的高精度转换器，其特征在于：单片机内部集成复位电路、时钟电路和8路的10位ADC转换器。
3.根据权利要求1所述的一种电流转电压的高精度转换器，其特征在于：单片机采用STC15F2K60S2单片机。
4. 根据权利要求1所述的一种电流转电压的高精度转换器，其特征在于：电阻R2取值为10KΩ，电容C1和电容C2均为100 nF，稳压二极管的稳压值为5.1V。
5.根据权利要求1所述的一种电流转电压的高精度转换器，其特征在于：串行通信接口为RS232/RS485通信接口。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111124027A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-05-08 | 龙岩学院 | 一种电流转电压的高精度转换器及方法 |
| CN116054826A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中勍科技股份有限公司 | 一种数字式低成本高精度电流频率转换系统 |
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