用蒙特卡洛模拟分析一顿操作猛如虎之后得到的4-20mA检测电路

因为看到客户从某宝网上购买485接口的多路4-20mA检测模块，

将其应用在精度和可靠性要求都比较高的工控场合。

作为对产品品质要求近乎严苛的我，看到这一情况之后，觉得难以忍受。

于是，亲自操刀设计了一块多路4-20mA的检测板。

最近更是从可靠性、抗干扰、运放选型、参考电源设计、ADC转换的精度、精度定义等角度做了深入研究。

一顿操作猛于虎，最终确定了包括电路原理图和器件选型的设计方案；

设计方案

电路图如图1所示：

f图1. 4-20mA检测电路

有以下特点：

1) TVS管SMBJ12A用于消耗可能串入检测电路的高电压干扰，将其钳位至最高19V，从而有效保护运放等后级器件，同时避免LDO输出的+3.3V电压被抬升。

而当输入电压低于击穿电压12V时，漏电流低于1uA，对4-20mA输入电流的影响忽略不计；

2) 使用高精度运放TLV4333设计电压跟随器对信号进行隔离。该运放为轨对轨输出，输入失调电压为2uV，温度漂移仅为0.02uV/℃。

3) 采用极低反向漏电流的开关二极管1N4148 D1以及D2对运放的同相输入端的电压进行钳位。

避免运放的输入电压低于-0.3V或者高于VCC+0.3V，对运放以及处理器造成损坏。

实际钳位电压会超过此范围，根据规格书，通过调整限流电阻R4阻值，使流过R4的电流不超过10mA，可保证运放不被损坏。

由于1N4148正向导通电压以及3.3V电源电压的公差，

考虑同相输入端的最高电压可能达到3.5+1.2=4.7v，而TLV4333为轨对轨运放，

因此输出也可能高达4.7V，超过处理器端口的最高输入电压4.0V；

规格书进一步说明，即使超过了端口的最高输入电压，正向以及反向注入电流不超过5.0mA，也不会损坏端口。

此电路中。最大正向以及反向注入电流为1.2V/4.7KΩ=0.25mA，小于5.0mA。

处理器输入端口的最高电压以及最大注入电流

4) 4.7K电阻R4以及0.1uF电容C7组成低通滤波器，其时间常数为0.47ms。

-6dB截止频率为，

对刷新率为10Hz的有效信号没有衰减，可以有效过滤高频干扰信号。

R4电阻同时起到了限流的作用，使得当输入到运放的电压超过其供电电压0.3V时，可能流入运放的电流不超过(19-3.3)/4.7=3.3mA，远小于规格书中规定的10mA，避免对运放造成损坏。

5)4.7K电阻R3以及0.1uF电容C6组成低通滤波器，如4)所述，可以有效过滤运放引入的高频干扰信号。

6)采用精密电压源AD1582BRTZ提供2.5V的参考电压，通过处理器的A/D转换得到数值，

对通过VDDA引脚输入的A/D基准电压进行精度校正。

其初始误差为±0.08%，温度系数最大为50ppm/℃。

各器件的参数取值范围

TVS管ZV1的漏电流：0uA-1uA；　

电流采样电阻R5(精度为±0.1%)的电阻值：149.85Ω-150.15Ω，温度系数：0-50ppm/℃；

钳位二极管IN4148的反向漏电流：0uA-20uA；

运放TLV4333的输入失调电压：0uV-15uV，输入失调电压的温度漂移：0-0.02uV/℃；

精密电压源AD1582BRTZ的输出电压：2.498V-2.502V，温度系数：0-50ppm/℃；

STM32F103RCT6的ADC为12bit，总不可调整误差(TUE)为4LSB。

蒙特卡洛模拟分析精度

蒙特卡罗分析法是一种多变量建模技术，

可以将其视为一系列的“假设”场景。

它允许工程师进行多次实验，并对一组给定结果定义概率分布或完成风险评估。

在电路蒙特卡罗分析中，分析人员设定了会影响结果的每个元件特性的概率（一些元件具有很多不同的特性），并运行多个电路分析计算找出给定函数的各种可能的结果。

其步骤为：

1) 确认需要分析的结果，比如该例中我们需要分析4-20mA检测得到的AD值；

2)识别出决定该结果的所有变量以及其取值范围，分布规律等；

3) 按照变量的分布规律，模拟产生一组随机数；

4)利用电路原理根据所有变量计算出结果；

5)重复步骤3-4，生成足够多的结果数据，对数据进行统计分析得到该结果的统计规律。

Excel仿真

在excel文档的不同列中随机产生n组不同变量的数值，

比如工作温度，通过公式-40+125*RAND()在-40~+85范围内产生均匀分布的数据，

通过这些变量按照电路的分析方向，逐个变量计算数值，并最终得到结果数值(满量程的精度)

excel模拟计算

将excel表格模拟计算得到的11000组数据的满量程的误差数值复制进origin软件，对其分区间计算频率，绘制分布曲线，如下：

%FS的分布曲线

算得结果，满量程的误差平均值为0%，标准差σ为0.12%，

考虑取3σ，即该电路的测量精度为满量程0.36%FS。