深入分析了4-20mA的運(yùn)放選型、A/D基準(zhǔn)電壓對(duì)測(cè)量精度影響等問(wèn)題。

其中，為了提供抗干擾能力，輸入至運(yùn)放的信號(hào)需要改為差分輸入而不是單端輸入。

運(yùn)放的作用

不少網(wǎng)友提到，既然運(yùn)放只是用作電壓跟隨器，沒(méi)有放大作用，何不省了運(yùn)放，直接將電壓輸入至處理器的A/D口。

不經(jīng)過(guò)電壓跟隨器的檢測(cè)電路

采用電壓跟隨器進(jìn)行信號(hào)隔離的檢測(cè)電路

在我看來(lái)，除了沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大之外，運(yùn)放起到了下述作用：

01隔離以及阻抗變換

運(yùn)放具有輸入阻抗高、輸出阻抗低的特點(diǎn)。

利用這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的阻抗不會(huì)影響輸出以及輸入信號(hào)。

從4-20mA的輸入端口往里看，輸入阻抗的等效電路如下圖：

輸入阻抗的等效電路

輸入阻抗為：

其中，RIN為負(fù)載的輸入阻抗，而Ri是4-20mA信號(hào)的輸入阻抗；

對(duì)于直接輸入A/D口的電路，RIN為A/D口的輸入阻抗；

對(duì)于電壓跟隨器電路，RIN為運(yùn)放的輸入阻抗；

在最近的文章中，我一直強(qiáng)調(diào)，不隨器件、溫度、時(shí)間而變化的誤差可以通過(guò)標(biāo)定消除。

因此，只需要考慮RIN的變化對(duì)Rin產(chǎn)生的變化而導(dǎo)致的誤差。

根據(jù)下圖的運(yùn)放等效模型，可以算出同相端的共模輸入阻抗為。

運(yùn)放等效模型

在節(jié)點(diǎn)1,運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電流法，流入節(jié)點(diǎn)的所有電路總和為0，有下式成立：

移項(xiàng)化簡(jiǎn)得到：

得到電流i為：

同相端輸入阻抗為：

對(duì)于電壓跟隨器，R1=∞，R2=0得到：

其中rd為開環(huán)輸入電阻，r0為開環(huán)輸出電阻，α為開環(huán)電壓放大倍數(shù)；

典型的rd是兆歐級(jí)甚至更大，而r0是百歐級(jí)。

從規(guī)格書上，我們知道：

TLV4333規(guī)格書

開環(huán)放大倍數(shù)α與開環(huán)增益AOL的關(guān)系為：

，典型值為125892.5412，最大值為3162277.66。

從而運(yùn)放TLV4333的同相端輸入阻抗可以認(rèn)為無(wú)窮大。

而從STM32F103的規(guī)格書中，可以查到I/O的輸入電流，如下：

輸入漏電流

從漏電流可以推算，其輸入電阻為MΩ級(jí)；

因此，運(yùn)放的輸入電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理器IO口的輸入電阻；

因此，處理器I/O口的輸入電阻對(duì)電流采樣電阻的影響也遠(yuǎn)大于運(yùn)放的輸入電阻。

還需要注意的是，PCB的上面的漏電電阻也是會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響的不可忽略的因素；

特別是在潮濕的環(huán)境中，而且PCB上堆積了灰塵，其漏電電阻可能低至百K級(jí)別。

遠(yuǎn)小于運(yùn)放輸入電阻，成為影響檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素。

通過(guò)增加PCB走線之間的間隙，以及在PCB上噴三防漆，可以有效減少這一影響。

02濾波抗干擾

通過(guò)在運(yùn)放端并聯(lián)濾波電容，構(gòu)成有源低通濾波器，可以有效濾除高頻干擾；

另外，在最近的文章中，因?yàn)榭紤]到在信號(hào)前級(jí)還有一個(gè)信號(hào)隔離器，所有運(yùn)放采用了簡(jiǎn)單的信號(hào)單端輸入；

其缺點(diǎn)是沒(méi)辦法有效過(guò)濾從4-20mA信號(hào)的共模信號(hào)干擾；

進(jìn)一步對(duì)電路進(jìn)行改造，如下：

從而將單端輸入改為差分輸入，格外注意的是，下述電路僅為示意，因不滿足隔離以及共模輸入電壓的要求，并不能實(shí)際用于產(chǎn)品中。

在下一篇文章中詳細(xì)分析參數(shù)取值以及抗干擾的原理。

差分輸入電路

審核編輯：湯梓紅