STM32实现4-20mA压控恒流源电路

STM32 实现 4-20mA 压控恒流源电路 在工业场合中，设备通常需要具有 4-20mA 的输出接口，以便于与其他设备进行通信和控制。然而，在以往没有 DAC 模块的单片机系统中，需要外加一主片 DAC 或者采用 PWM 来模拟 DA，但这也带来了温漂和长期稳定性问题。幸运的是，STM32 单片机系统可以使用它自带的 DAC 来实现 4-20mA 的输出接口，该方法具有精度高、稳定性好、漂移小以及编程方便等特点。 在 STM32 单片机系统中，需要解决供电问题，因为 100 脚以下没有外接出 VREF 引脚。这使得 DAC 的参考端和 VCC 共用，带来较大误码差。为了解决这个问题，可以使用廉价的 TL431 来解决供电问题，TL431 典型温漂为 30ppm，在一般应用中已非常足够。 在实现 4-20mA 的转换电路中，需要使用 OPA333 这颗优异的单电源轨至轨运算放大器，其工作电压为 2.7-5.5V，其失调电压仅为 10uV，实测最低输出为 30uV，最高输出可达 VCC-30uV。电路组成压控恒流源，其关键在于 OPA333 这颗芯片的优异性能，使得以上电路获得了极高的精度和稳定性。 在电路中，DACOUT 来自于 STM32 的 DAC1 或者 DAC2 输出，由 C25 进行数字噪场滤波之后进入运算，进行 1:1 缓冲，后经过 Q2 进行电流放大，在 R7 上形成检测电压，C17 进行去抖动处理。4-20mA 信号由 AN_OUT+/AN_OUT- 之间输出。 电路中，负载中的电流在 R7 上形成压降，经运放反馈后得到 Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，当 Vdacout 在 400mV 到 2000mV 之间变化时，可得到 4-20mA 的输出。改变 R7 的大小，便可改变 DACOUT 的需求范围。 在电路中，R2 的基射极之间将有 0.7V 左右的偏压，所以 Vb[MAX]=2V+0.7V=2.7V，这正好在 OPA333 的输出范围之内。电路中 R14 做为输出端的限流电流，使得输出端的最大输出电流 Imax=Vcc/(R7+R14)，若 Vcc 取 6V，则 Imax=6V/200 O=30mA，若没有 R14，则最大电流可能有 60mA，这时 R7 上的耗散功率为 0.06*0.06*100=0.36W，若选用 0805 贴片电阻，将导致 R7 烧坏，或者由于温度升高太严重导致 R7 阻值变化太大输出引起较大偏差。 加入 R14 之后，R7 上的最大耗散功率为：0.03*0.03*100=0.09W，此时在正常的范围之内。电路中 R14 不可省去，C17 不可省去，因为外负载可能的微小干扰或波动将导致 OPA333 组成的深度负反馈电路形成振荡，使输出电流波动，加入 C17 能抑制这种波动，使输出更稳定，但是 C17 的值不宜过大。 在使用 STM32 编程时，应当注意，不应当开 DAC 缓冲，因为以上电路已经为一个高输入阻抗的缓冲电路。由 STM32 内部缓冲电路将损失掉输出线性度。