对昨天介绍的一款多路4-20mA信号检测模的进一步详细解释

背景

昨天，我发了一篇微头条，文中介绍了一个这两天设计的多路4-20mA信号检测模块。

网友反应强烈，不少网友表示，这是一个不实用的电路，没有考虑可靠性、抗干扰、精度等因素。

为了避免误导网友，我特意再发一条文章对一些问题做一些澄清。

关于电路原理

４-20mA电流检测电路

4-20mA电流信号通过0.1%精度的采样电阻R31得到0.4V-2.0V的电压。

该电压由R27、C31组成的低通滤波器滤除干扰信号之后送到运放LM224的同相输入端。

D12、D16二极管实现对运放的输入限幅保护，选择正向导通电压低至0.3V左右的肖特基二极管1N5819。

(更正：肖特基二极管的漏电流太大，会对检测精度产生巨大的影响，应该选择开关二极管1N4148，而且电阻R27、R36应该减小至1K，参见微头条https://www.toutiao.com/a1697844511183875)

当输入电压低于-0.3V时，二极管D16导通，输入被钳位至-0.3V。

当输入电压高于+5.0v+3.0V时，二极管D12导通，输入被钳位于5.3V。

从而，通过这两个二极管，输入电压被限制在-0.3V-5.3V的范围内。

因为LM224并非轨对轨的运放，其输出最高电压大概为工作电压VCC-1.5V。

当输入最高为5.3v时，输出最高电压约为5.3V-1.5V=3.6V。

根据STM32F103x处理器的规格书，其模拟输入口为非5V容忍的端口，最高输入电压为4.0Ｖ，考虑偏差，仍能满足规格要求。

STM32F103x的最大规格要求

所检测的物理量(压力、温度等)并不会在ms级以下剧烈变化，目前考虑100ms的变化频率，控制器按照100ms/次的频率刷新数据；

因此，选择10K的电阻以及 0.1uF的电容组成低通滤波网络滤除干扰，其时间常数为1ms。

-3dB的截止频率为159Hz，不会影响变化频率为10Hz左右的物理量的检测。

关于输入保护

这个模块只是控制系统中的一个设备，在4-20mA信号的前级还有4-20mA的信号隔离器、浪涌保护器等器件。

4-20mA信号隔离器

因此，雷击、浪涌等的输入保护由这些器件实现。因为体积限制，没有在信号输入端增加TVS进行保护；

关于抗干扰

远处的4-20mA信号经过正、负两根导线传到控制器端。

4-20mA电流为差分信号，转成电压之后其幅度相同，相位相差180度;

假设正极信号为Vs，则负极信号为-Vs；

由于两根导线长度相同，经过的区域相同。

而且一般建议用双绞线传输，因此耦合在两根导线上的干扰信号幅度相同，相位相同，

即为共模信号，假设都是Vn，导线上的电阻为r，信号正极的输入电阻为R+，信号负极的输入电阻为R-，

当把正极的信号输入到同相端，同相放大倍数为a1,

把负极的信号输入到反相端，反相放大倍数为a2，

则共模的干扰信号在运放输出端得到的电压为：

当信号正极的输入电阻与信号负极的输入电极相同，以及同相端放大倍数与反向端放大倍数相同时，经过运放之后，共模干扰信号的输出幅度为０。

在本电路图中，信号正极相对地的输入电阻为R31，信号负极相对地的输入电阻为0Ω。

而且，信号输入到LM224为单端输入而非差分输入，

从而正极耦合的干扰信号与负极耦合到的干扰信号无法通过运放相互抵消。

所以该电路的抗干扰能力差，考虑到信号隔离器支持4-20mA的差分输入，而且到控制器的距离近、连线短，引入的干扰信号也小。

在这种情况下，本电路仍然可以使用。

关于运放的输入偏置电压和温度稳定性

在25­°C时，LM224的输入失调电压的典型型为2mV，最大值为9mV。

而当输入电流为4mA时，其对测量精度的影响最大为9mV/400mV=2.25%。

如果输入失调电压对不同器件、不同温度都是一样，而且不存器件老化而改变。

则可以通过软件标定的方法消除其对精度的影响。

但是该失调电压可能每一个器件都不一样，而且随温度变化而变化...

其输入失调电压的温漂为7uV-30uV/°C。

当工作温度达到85°C时，其输入失调电压将增加至2mV-9mV+(7uV-30uV)*60=2.42mV-10.8mV。

综合考虑，在全温度范围内，仅仅输入失调电压就会造成2.7%的精度损失。

因此，需要选择低输入失调电压，高温度可靠性的器件。

处理器A/Ｄ检测的参考电压对精度的影响

处理器以A/D转换的参考电压为基准，采用逐次逼近的方法对模拟信号进行数字转换。

假设参考电压为Vref，输入电压为Vin，对于12位的A/D转换模块。

其得到的AD值为：

Vref的精度将会影响检测的精度。

在本电路中，直接使用处理器的3.3V的工作电源作为参考电源。

该工作电源由LDO芯片LM1117-3.3产生，其一致性、温度稳定性都比较差。

因此，需要将一个精密电压源产生的精密电压进行A/D转换，利用得到的数值对其它通道的A/D数值进行修正。

另一个严重的隐患

当输入电压超过了5.3V之后，二极管D12导通，高电压灌入到5.0V的电源，能量无法被消耗，全部被5.0V的电源吸收，可能导致5.0V的电源瞬间被抬升而无法稳压至5.0V。

导致运放输出电压超过4.0V，造成处理器损坏。

可能导致由5.0V供电的设备损坏，甚至直接导致5.0V的稳压电源损坏。

理想的做法是在输入端接上TVS管，碰到高压时，TVS管导通可以消耗能量，避免能量通过D12导入到5.0V的电源。