基于低成本MCU的電流環路校準器的設計與實現
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圖8：DAC框圖
為了進行電流測量，我們使用了微控制器內部的模擬/數字轉換器模塊。轉換過程達到10位分辨率以上。我們是通過將電流流經0.47Ω電阻然后再送到微控制器上的ADC實現電流測量的。
所設計設備的靈敏度
本研究報告中使用的數模轉換器(DAC)是16位分辨率，在4-20mA范圍用的就是這個分辨率。我們可以用公式1確定獲得的電流源靈敏度(Ss)：
為了實現電流測量，電流需要流經一個阻值非常小的電阻，然后必須對這個電阻上的電壓進行測量。在電流測量期間，需將電流測量設備串接到電路。因此可以預見的是，設備內部阻抗不會影響到電路，或者至少這個阻抗的影響是很小的。本例中的電流電壓轉換使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作為使用低值電阻的結果，在最大電流值時獲得的電壓值(Vacq)也是非常小的(參見公式2)。
在數字/模擬轉換過程結束時，就可以獲得帶模擬直流電平的電流。但要想用這里獲得的電流驅動所連負載并保持線性工作，還存在一些最大值限制問題。其中一個限制是電流環電壓一致性。這個術語描述了與電流輸出端相連的負載上施加的最大電壓。
在第一次試驗時，我們使用的是DAC908。這個集成電路的特點是速度快，輸出電流分辨率為8位。該集成電路的輸出一致性限制是在-1.0V和+1.25V之間。這意味著電流輸出端可以連接的最大負載電阻為1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，這個值對于使用24V電壓實現電流環路的過程控制系統來說太低了。另外，這個集成電路是一種快速DAC。這樣，由于高工作頻率而很難獲得這個頻率值。基于上述這些理由，我們決定放棄DAC908，取而代之的是另一種數字/模擬轉換器AD420。
所設計設備的基本屬性
圖9顯示了所設計的校準器的內部電路。所設計設備的輸入輸出范圍都是4~20mA。室溫下所做試驗的輸出電流誤差是±1nA。對于12V環路電壓來說最大負載驅動能力是600Ω。對于4~20mA電流產生范圍，要求24V的工作電壓。外部可用環路電壓最大值為32V。此次實現的校準器的總成本約50~100美元。因此，在設備成本方面獲得的好處是非常大的。
圖9：所設計的校準器縱覽
本文總結
在這份研究報告中，我們設計并實現了具有0.001mA分辨率的低成本電流環路校準設備。該設備可用于測試和校準采用4~20mA電流標準通信的系統。電流環路是工業控制應用的一個重要方面，因為通過這個方式，信號遠距離傳送時受噪聲的影響會較少。本次開發的設備還可以用來仿真使用4~20mA電流環路的裝置中的傳感器。
雖然校準設備的銷售價格高達2,000美元，但作為這份研究報告的結果，所設計設備的成本約為50至100美元。該設備基于微控制器技術設計，帶一個LCD顯示器和一個數字控制鍵盤，能夠產生和測量4~20mA標準的信號，適用于具有兩線連接的系統。
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