基于低成本MCU的电流环路校准器的设计与实现
图8：DAC框图
为了进行电流测量，我们使用了微控制器内部的模拟/数字转换器模块。转换过程达到10位分辨率以上。我们是通过将电流流经0.47Ω电阻然后再送到微控制器上的ADC实现电流测量的。
所设计设备的灵敏度
本研究报告中使用的数模转换器(DAC)是16位分辨率，在4-20mA范围用的就是这个分辨率。我们可以用公式1确定获得的电流源灵敏度(Ss)：
为了实现电流测量，电流需要流经一个阻值非常小的电阻，然后必须对这个电阻上的电压进行测量。在电流测量期间，需将电流测量设备串接到电路。因此可以预见的是，设备内部阻抗不会影响到电路，或者至少这个阻抗的影响是很小的。本例中的电流电压转换使用的阻值是Rx = 0.47Ω。作为使用低值电阻的结果，在最大电流值时获得的电压值(Vacq)也是非常小的(参见公式2)。
在数字/模拟转换过程结束时，就可以获得带模拟直流电平的电流。但要想用这里获得的电流驱动所连负载并保持线性工作，还存在一些最大值限制问题。其中一个限制是电流环电压一致性。这个术语描述了与电流输出端相连的负载上施加的最大电压。
在第一次试验时，我们使用的是DAC908。这个集成电路的特点是速度快，输出电流分辨率为8位。该集成电路的输出一致性限制是在-1.0V和+1.25V之间。这意味着电流输出端可以连接的最大负载电阻为1.25V/20mA=62.5Ω。在本例中，这个值对于使用24V电压实现电流环路的过程控制系统来说太低了。另外，这个集成电路是一种快速DAC。这样，由于高工作频率而很难获得这个频率值。基于上述这些理由，我们决定放弃DAC908，取而代之的是另一种数字/模拟转换器AD420。
所设计设备的基本属性
图9显示了所设计的校准器的内部电路。所设计设备的输入输出范围都是4~20mA。室温下所做试验的输出电流误差是±1nA。对于12V环路电压来说最大负载驱动能力是600Ω。对于4~20mA电流产生范围，要求24V的工作电压。外部可用环路电压最大值为32V。此次实现的校准器的总成本约50~100美元。因此，在设备成本方面获得的好处是非常大的。
图9：所设计的校准器纵览
本文总结
在这份研究报告中，我们设计并实现了具有0.001mA分辨率的低成本电流环路校准设备。该设备可用于测试和校准采用4~20mA电流标准通信的系统。电流环路是工业控制应用的一个重要方面，因为通过这个方式，信号远距离传送时受噪声的影响会较少。本次开发的设备还可以用来仿真使用4~20mA电流环路的装置中的传感器。
虽然校准设备的销售价格高达2,000美元，但作为这份研究报告的结果，所设计设备的成本约为50至100美元。该设备基于微控制器技术设计，带一个LCD显示器和一个数字控制键盘，能够产生和测量4~20mA标准的信号，适用于具有两线连接的系统。
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