4~20mA利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的遠(yuǎn)程無衰減抗干擾傳輸，但該電流信號(hào)須轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換才便于MCU處理。試設(shè)計(jì)一個(gè)4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的I/V電路。

　　【構(gòu)思】將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最簡(jiǎn)單直接的辦法是使用取樣電阻，即讓4~20mA經(jīng)過一個(gè)電阻形成電壓，這個(gè)電阻可以取5V/20mA=250Ω(取樣電阻Rs)，為使轉(zhuǎn)換精度足夠高，使用1%的精密電阻，標(biāo)準(zhǔn)電阻系列中最接近250Ω的電阻是249Ω 1%，故取樣電阻Rs=249Ω(精度1%)。如下圖：

　　上面的I/V轉(zhuǎn)換電路存在兩個(gè)問題：一、Ui的范圍為249*(4~20mA)，約為1~5V，這不符合0~5V的設(shè)計(jì)要求;二、Ii與Ui沒有高阻抗隔離，易受到Ui之后負(fù)載的干擾，穩(wěn)定性很差。

　　鑒于上面電路的缺點(diǎn)，Ii與Ui之間必須加入高阻抗電路，而且為提升信號(hào)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，必須加入負(fù)反饋環(huán)節(jié)。高輸入阻抗，負(fù)反饋環(huán)節(jié)，這使人想到基于運(yùn)放的放大電路。為使4mA與0V對(duì)應(yīng)，我們可構(gòu)造函數(shù)關(guān)系：Uo=k*(Ii-4)。當(dāng)Ii=4mA時(shí)，Uo=0V;為使Ii=20mA時(shí)，Uo=5V，必須使系數(shù)k=5/(20-4)=5/16，所以Uo=(5/16)*(Ii-4)=0.3125Ii-1.25，上式右邊分成兩部分0.3125Ii和-1.25，這使人分別聯(lián)想到同相比例放大器和減法器。首先構(gòu)造同相比例放大器(這里我使用超低失調(diào)的op07運(yùn)放，雙電源±15V供電，此電源的設(shè)計(jì)略)：

　　上面的電路實(shí)現(xiàn)了三個(gè)目標(biāo)：1.高阻隔離了輸入信號(hào)Ii與輸出信號(hào)Uo，使Uo所接負(fù)載不會(huì)直接干擾Ii;2.Rf形成負(fù)反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)Ii確定時(shí)，Uo就確定了。但如果Uo因?yàn)楹蠹?jí)電路的擾動(dòng)而減小，這是送給運(yùn)放2腳(反相端)的電壓減小，及負(fù)反饋量減小，那么將使運(yùn)放得輸出增大，于是一降一升恢復(fù)了Uo的值，從而穩(wěn)定了Ii與Uo的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。到此，我們實(shí)現(xiàn)了0.3125Ii的可能電路結(jié)構(gòu)。

　　接著我們來實(shí)現(xiàn)-1.25V的部分：既然輸入Ii從同相端輸入，那么負(fù)電壓信號(hào)-1.25V必然要從反相端輸入，而1.25V的電壓可通過+15V電壓分壓得到。于是必然得到下面的電路：

　　對(duì)上面的電路稍作分析，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)嚴(yán)重的問題：Ii*Rs給運(yùn)放的2腳和3腳確定一個(gè)電壓(此電壓可變)，+15V通過R3、R4分壓給定運(yùn)放2腳一個(gè)電壓(此電壓是固定值)，顯然一個(gè)變化的電壓不可能始終等于一個(gè)固定的電壓。所以上面的電路需要改進(jìn)：既然不允許這兩個(gè)電壓相等，那就在二者之間插入一個(gè)電阻隔離開吧。如下圖中的電阻R5：

　　上面的電路是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，湊出Uo=0.3125Ii-1.25的關(guān)系，下篇我們會(huì)進(jìn)行試算。如果試算成功，將精算元件參數(shù);如果試算表明電路結(jié)構(gòu)還需改進(jìn)，那就繼續(xù)探索改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)。

　　上面的電路是否有可能實(shí)現(xiàn)4~20mA轉(zhuǎn)0~5V，即Uo=0.3125Ii-1.25，我們不妨試算一下：

　　根據(jù)虛斷虛短，Ii*Rs=Ui=V3=V2;根據(jù)KCL電流節(jié)點(diǎn)定律：考慮由R2、R5、Rf形成的節(jié)點(diǎn)，(Uo-V2)/Rf=V2/R2+(V2-Ud)/R5。

　　將V2=Ii*Rs及Ud=15*R4/(R3+R4)代入上式，整理得到：Uo=[1+Rf/R2+Rf/R5)]*Rs*Ii-15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]。

　　注意：由于上式的輸入電流Ii單位為mA，而輸出電壓Uo的單位為V，故所有電阻的單位為V/mA=kΩ(簡(jiǎn)稱k)，從而Rs=0.249k。

　　接下來，我們的目標(biāo)是使：[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25。從數(shù)學(xué)直觀上來說，上面兩式是有可能實(shí)現(xiàn)的——我們的運(yùn)氣不錯(cuò)。

　　為了盡量減小R2、Rf對(duì)分壓電阻R3、R4的影響，不妨使R5取相對(duì)于其他電阻很大的值，比如R5=200k。反相端的電阻R2取100k，運(yùn)放的最大輸入端電流不超過5/(100)=50uA。將R2=100k，R5=200k代入[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，得到：

　　(1+Rf/100+Rf/200)*0.249=0.3125，求得Rf=17k(沒有這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電阻，但為了后面的計(jì)算，我們暫且采用這個(gè)非標(biāo)值，等確定所有電阻值后，再一并處理)。

　　再考慮15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25，前已確定Rf=17k，R5=200k，代入式中并稍加整理得到：R4=50R3。

　　為計(jì)算方便，不妨取R3=2k，R4=100k(分壓電阻盡量大些，減少不必要的功耗)。為保證精度，這兩個(gè)電阻使用1%的精度。

　　為使運(yùn)放“零輸入時(shí)零輸出”，R1≈R2//Rf=100k//17k≈15k(由于R5較大，在計(jì)算的處理上可忽略)。

　　至此，所有電阻值確定了，如下圖：

　　考慮到Rf=17k并非標(biāo)準(zhǔn)電阻，而且為了保證轉(zhuǎn)換精度，Rf可用20k 1%的多圈電位器代替。如下圖：

　　【仿真驗(yàn)證】給輸入端添加一個(gè)電流源模型CSOURCE，將電位器Rf的值調(diào)到1-17/20=15%，依次使電流源的電流為4mA、10mA，使用電流探針和電壓探針分別顯示對(duì)應(yīng)的輸入電流Ii和輸出電壓Uo如下：

　　從上圖可以看到：當(dāng)Ii=0.004A=4mA時(shí)，Uo=0.0114282V≈0V。

從上圖可以看到：當(dāng)Ii=0.004A=10mA時(shí)，Uo=1.88518V≈1.89V。理論值Uo=0.3125Ii-1.25=0.3125*10-1.25=1.875V，誤差不大。

　　限于篇幅，20mA的仿真驗(yàn)證我就不展示了，Uo的輸出非常接近5V(大約為5.013V)。

　　自此，4~20mA轉(zhuǎn)0~5V的電路設(shè)計(jì)完畢，需要鄭重說明的是，這個(gè)電路完全基于個(gè)人的構(gòu)想，之前在教科書及全網(wǎng)是找不到的，這里僅提供一種設(shè)計(jì)電路的思想和習(xí)慣，至于它是否適合于實(shí)際工程應(yīng)用，有待實(shí)踐檢驗(yàn)——也許，還需改良吧。