[發明專利]一種電流轉電壓的高精度轉換器及方法

在審

• 申請號: 202010101498.6
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111124027A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 賴義漢;鄧翠萍;涂橋花;王宇松
• 申請（專利權）人: 龍巖學院
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56;G01R1/28;G01R19/25;G05B19/042
• 代理公司: 福州君誠知識產權代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

本發明公開一種電流轉電壓的高精度轉換器及方法，通過簡單的電路把4?20mA的電流信號轉換成1?5V，再通過自帶有10位ADC轉換電路的STC15F系列單片機內部的帶隙基準電壓為電壓基準對輸入信號進行采集，通過算法把1?5V轉換成與電流信號成線性關系的0?5V的數字信號，通過單片機的串口轉換成RS232/RS485信號發送給其他應用系統使用。

技術領域

本發明涉及電流電壓信號的轉換技術領域，尤其涉及一種把標準電流4-20mA轉成模擬電壓0-5V的電流轉電壓的高精度轉換器及方法。

背景技術

在計算機自動測控系統的設計中，為減少信號在傳輸過程中的干擾及損耗，使系統的各部分標準化，特別是輸入信號的標準化，經常把溫度、壓力、液位、速度等各種物理量變成4-20mA電流信號，作為傳感器數據的接收方，一般為單片機等微控制器對接收的數據進行處理，那么在接收端首先必須將電流信號轉換為電壓信號，然后進行電壓幅值變換使其適合MCU處理的電壓范圍，單片機等微控制器處理的電壓信號一般小于等于其電源電壓，一般單片機的工作電壓小于等于5V，因此，通常我們通過I/V變換電路把4-20mA的電流變成0-5V直流電壓，供單片機等微控制器進行數據處理，把4-20mA的電流變成0-5V直流電壓的I/V變換電路通常采用專用芯片或用運算放大電路進行處理，采用專用芯片雖然外圍電路簡單，但價格貴，成本高；而采用運算放大電路的處理方法是在前端運算放大器的反相輸入端疊加一個調整電壓，使之當輸入電流為4mA時對應的電壓為0V，但這類硬件電路比較復雜，還需要用到運算放大器，而且由于放大器中存在非線性及零點飄移等因素，很難得到精確的0-5V電壓信號。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電流轉電壓的高精度轉換器及方法。

本發明采用的技術方案是：

一種電流轉電壓的高精度轉換器，其包括I/V轉換電路、單片機和串行通信接口，I/V轉換電路的輸入端接入前端傳感器的4-20mA標準電流，I/V轉換電路的輸出端連接單片機IO口，I/V轉換電路將4-20mA標準電流對應線性轉換為1-5V的電壓信號輸出；單片機讀取其內部的帶隙基準電壓并進行AD轉換，通過計算得到外部1-5V的電壓信號的當前精確值并線性轉換為對應的0-5V的數字電壓信號輸出至串行通信接口。

進一步地，I/V轉換電路包括250Ω精密電阻R1、電阻R2、電容C1、電容C2和穩壓二極管VD1，前端傳感器接入電路輸入端，電路輸入端分別連接電容C1、250Ω精密電阻R1和電阻R2的一端，電容C1和250Ω精密電阻R1另一端分別接地，電阻R2的另一端、電容C2的一端和穩壓二極管的陰極分別連接電路輸出端，電容C2的另一端和穩壓二極管的陽極分別接地，電路輸出端輸出1-5V的電壓信號。

進一步地，單片機采用STC15F2K60S2單片機，單片機內部集成復位電路和時鐘電路，同時集成有8路的10位ADC轉換器。

進一步地，電阻R2取值為10KΩ，電容C1和電容C2均為100nF，穩壓二極管的穩壓值為5.1V。

進一步地，串行通信接口為RS232/RS485通信接口。

本發明還公開了一種電流轉電壓的高精度轉換方法，其包括以下步驟：

步驟1，獲取前端傳感器輸入的4-20mA標準電流并對應線性轉換為1-5V的電壓信號并輸出至單片機；

步驟2，單片機讀取其內部的帶隙基準電壓(Bandgap)并進行AD轉換，通過計算得到當前連接的外部精確電壓，計算公式如下：

其中：ADC_bg為Bandgap電壓的ADC測量值，V_bg為實際Bandgap的電壓值,單位均為毫伏(mV)；ADCx為外部輸入電壓的ADC測量值，Vx為外部輸入電壓的實際電壓值,單位均為毫伏(mV)；