4 - 20mA 电流转多档电压电路原理图

工业自动化和传感器应用领域，常常会遇到将 4 - 20mA 电流信号转换为适合单片机等设备处理的 0 - 3.3V、0 - 5V、0 - 10V 或 0 - 15V 电压信号的需求。这是因为工业传感器通常采用电流大小来传输数据，而作为传感器数据的接收方，如带有内部 AD 的单片机，只能检测电压大小。因此，首先需要将电流信号转换为电压信号，然后进行电压幅值变换，使其符合 MCU 处理的电压范围。下面我们将从设计的电流转电压的模块电路原理图出发，逐步进行详细解析。

电流检测放大部分

首先来看电流检测放大部分，即 U1B 部分。电流从 R1 的上端流入，下端流出。从电路结构不难看出，这是一个差分放大电路，也就是一个减法运算电路。根据差分放大电路的原理，输出电压 UA = (R5 / R3) * (U1 - U2)，在这个电路中，由于 R5 = R3，所以 UA = U1 - U2，UA 即是电阻 R1 两端的电压差。假设流过该电阻的电流为 20mA，根据欧姆定律 U = IR，这里 R = 100Ω，那么产生的电压为 20 * 100 = 2000mV。然而，这个电压还没有达到我们单片机的电压测量范围（这里默认单片机 AD 检测的范围为 0 - 5V）。

图 1：电流检测放大部分

解决 4mA 输入对应 0V 输出的问题

为了高效地利用单片机 AD 的量程，我们需要将电压信号进一步放大。此时会面临一个问题：如何使电流信号输入为 4mA 时，电压输出是 0V 呢？解决这个问题的关键在于要输出 0V 电压，这里我们还是要用到减法器。
图中 U1A 组成减法电路，其输出电压等于 UA - UB。U1D 组成一个跟随器，当电流信号为 4mA 时，UA = 4 * 100 = 400mV。我们的目的是让 U1A 的输出此时为 0V，那么就需要 UA = UB。通过调节 U1D 跟随器的正相输入端，利用电位器 RP2 改变分压，就可以实现这一目标，从而完美解决了当输入电流为 4mA 时输出电压为 0 的问题。

图 2：解决 4mA 输入对应 0V 输出部分

放大电路

接下来要添加的是放大电路，将 U1A 的输出信号进行放大。在这里 U1C 的作用即是最终放大。在使用时，将输入电流设置为 20mA，通过调节 RP1 电位器，也就是调节电压放大倍数，直至输出电压为 5V 或其他量程的 10V、15V，即可完成对量程的设置。

图 3：放大电路部分

使用前设置事项

• 调零：输入电流为 4mA 时，调节调零电位器直至输出电压为 0V。

• 调量程：输入电流为 20mA 时，调节调量程电位器直至输出电压为目标量程电压。

• 供电电压：7 - 30V（若输出要到 n V，供电电压必须大于 (n + 2) V，这是因为运放不是轨对轨型，最大输出值无法等于供电电压值）。

模块整体电路图及相关问题解决

下面是模块整体的电路图。我们可以看到图中使用的运放为 LM324，此运放不是轨对轨的运放，这就导致运放的最低输出电压不可能等于 0V。即便是轨对轨运放，最低输出还是会有 mV 级别的电压。为了解决最低输出不为 0V 的问题，我们将供电改为正负电源，利用 ICL7660 芯片产生一个负 5V 电压作为负电源。图中 D1 二极管起到防止电源反接的作用。

图 4：模块整体电路图