馬秋芳，潘 浩，王微微

（1.青島黃海學院 電信與商務學院，青島 266427；2.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，青島 266580）

作為一種工業(yè)標準，4～20 mA直流電流源被廣泛應用于工業(yè)控制現(xiàn)場，無論是控制器、變頻器、調節(jié)閥等自動化儀表，還是DCS、PLC等控制系統(tǒng)均支持標準電流輸入[1]。為測試設備，往往需要低功耗儀表電流源。目前此類儀表大多功能復雜、功耗偏大、便攜性差，負載能力在 500～750 Ω，且不能調整，給現(xiàn)場調試帶來不便。

本文采用專用電流源芯片AD421實現(xiàn)高精度電流輸出，通過負載監(jiān)控、DC-DC升壓電源控制與電壓調整實現(xiàn)電流源的低功耗運行。儀器已成功應用于現(xiàn)場調節(jié)閥、采集卡和PLC等系統(tǒng)的調試，且功耗低、運行穩(wěn)定。

1 總體結構

如圖1，系統(tǒng)由人機接口和電流輸出兩部分組成。人機接口包括MSP430F235單片機、液晶、鍵盤等；電流輸出包括DC-DC升壓電路、閉環(huán)電流輸出和電流反饋等部分。工作過程是：當環(huán)路閉合時，單片機通過電源控制啟動DC-DC升壓電源，由閉環(huán)電流輸出電路產生4～20 mA電流輸出。電流反饋電路將電流反饋到單片機，由運放處理后進行A/D轉換，分析實際電流和負載，再根據(jù)需要調整DC-DC的功率。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System construction diagram

2 硬件結構

2.1 4～20 mA閉環(huán)電流輸出電路

1）單片機

MSP430F235單片機集成度高、功耗低，電流源采用單片機自帶的8通道12位A/D轉換器完成電池電壓、輸出電流和負載監(jiān)控，通過16位定時器定時中斷、管腳中斷和多種時鐘模式配合實現(xiàn)低功耗運行。

2）液晶與鍵盤

選用LCM141低功耗雙排段式液晶及獨立鍵盤，按鍵通過上拉電阻接入單片機，采用管腳中斷方式喚醒單片機完成鍵值處理。

3）AD421電流源電路

數(shù)控直流電流源通常由D/A轉換器和V/I配合實現(xiàn)電流輸出，或采用專用電流環(huán)芯片組成[2]。后者穩(wěn)定性好、功耗小。

如圖2，AD421是專為儀表設計的高精度4～20 mA電流環(huán)輸出式數(shù)模轉換器，和微控制器間經由SPI接口通訊[3]。AD421內部由16位D/A轉換、閉環(huán)電流放大電路組成。當加在AD421上的電源V12通過LOOPRTN，經過RL、R1返回到電源地GND時，芯片在內部穩(wěn)壓電路、運放A1反饋的綜合作用下，驅動場效應管Q1，在芯片VCC和COM端間形成3.3 V穩(wěn)壓輸出。三極管Q2起到擴流作用，用來降低Q1的功耗。單片機的P2.0～P2.2通過光電耦合器隔離，經SPI接口向芯片的DATA、CLK和LATCH端發(fā)送數(shù)據(jù)，在 AD421內完成16位D/A轉換，再經內部由A2構成的V/I轉換電路產生標準的電流輸出，關系為數(shù)字量0～65535對應4～20 mA。

圖2 4～20 mA電流輸出及反饋電路Fig.2 4～20 mA current output and feedback circuit

2.2 電流反饋電路

電流反饋電路主要用于監(jiān)控輸出電流及負載變化情況[4]。 如圖 2，電路由 R1、R10、R11、R12及低功耗運放U1組成。R1為輸出電流取樣電阻，轉換電壓經放大后進入單片機A/D管腳P6.1（A1），反饋電壓：

為提高反饋電流精度，在電流源達到最大輸出20 mA時，Vo應盡可能接近A/D轉換器的參考電壓。MSP430F235內部集成了2.5 V和1.5 V兩個基準電壓源，選擇后者反饋電路的功耗更低。同時，由于反饋電阻R1的引入，AD421環(huán)路中的實際負載為RL+R1，R1的取值不應影響電流源的負載能力。因此，結合電阻標準，最終確定R1=1 Ω，R12=91 kΩ，R11=1.3 kΩ，對應的電壓范圍為0～1.42 V。

2.3 電源電路

AD421屬于兩線制閉環(huán)電流源，可以產生3.3 V輸出，支持4 mA以下的電流輸出，能夠用于驅動單片機及傳感器電路，但弊端在于當電流源環(huán)路斷開時，所有電路將停止工作，不能滿足要求。本儀器由4.8 V充電電池供電，通過3.3 V LDO降壓芯片和DC-DC升壓電路分別為單片機和AD421供電。其中DC-DC部分包括DC-DC升壓、電源電壓調整和電源通斷控制3部分。

1）DC-DC 升壓

電流輸出部分的最低電源電壓V12和負載電阻RL有關，若要求負載500 Ω，則V12至少應在14VDC以上，功率不低于280 mW，同時還應具有較高的轉換效率和較低的功耗。升壓電路一般由專門升壓芯片組成，如LM2577、MC34063等方案[5]。由于電流源輸出功率要求低，設計時應綜合考慮電源空載和滿載時的功耗。由MC34063構成的升壓電源效率一般在80%左右，但空載時功耗低。如圖3為典型升壓電路，電源輸出經過R23、R24分壓取樣后，由芯片的電壓負反饋系統(tǒng)進行調整，直到形成穩(wěn)定的電壓輸出為止。電源輸出電壓為

電源的輸出功率、效率及紋波大小主要由 L21、C21、C22、C23等元件決定，C21決定轉換效率，數(shù)值越小，電源效率越高，但紋波越大。根據(jù)芯片要求，內部電路振蕩頻率應在 0～100 kHz內，這里選擇C21為 470 nF，對應振蕩頻率70.5 kHz。為使紋波低于10 mV，C22的取值應不低于 220 μF。

2）DC-DC輸出電壓調整

如圖2，AD421的電源電壓V12由DC-DC輸出Vout提供。 VCC驅動 Q2的基極，Q2導通，當 RL達到最大時，Vce＞Vbe，V12+和 COM 間的電壓為 VCC，因此 Vout應滿足：

式中：Vcc為AD421的Vcc和COM間的電壓3.3 V；V40為AD421內部40 Ω電阻上的壓降 （芯片輸出20 mA時達到最大，為0.8 V）。可見，當RL為500 Ω時，Vout應不低于14.12 V。實際上AD421采用內部1.21 V電壓基準和電阻網絡，通過運放A1輸出DRIVE端控制Q1，實現(xiàn)Vcc穩(wěn)壓輸出。當運放輸入端有微小電壓差異時，仍能正常工作。經測試，在電流源達到最大負載時，AD421的LOOP電路輸出Vcc和COM端間的最低穩(wěn)壓輸出約為2.65 V，因此Vout應不低于 20RLmax+3.47 V?？紤]到溫度影響，為留有余量，要求 Vout≥（IoRL+4.0），結合 RL的設計要求，當其在0.2 k～1 kΩ變化時，Vout應能在8～24 V內調整。

由式（2），固定R23或R24，另一個通過數(shù)字電位器改變阻值即可實現(xiàn)電源輸出電壓的調整。若R24為可變電阻，電壓調整雖具有較好的線性度，但必須承受24 V以上的電壓，且電位器功耗也會增加。目前數(shù)字電位器大多工作電壓不超過5 V，顯然無法滿足要求。如圖3所示，本設計取R24為27 kΩ，則R23應在（1.48～5）kΩ 內變化。通過對比選擇 256級、5 kΩ數(shù)字可變電阻器MCP4562來調整R23。其工作電壓為（2.7～5.5）V，靜態(tài)電流為 2.5 μA，采用 I2C 接口連接。為防止由于操作失誤或干擾等原因造成MCP4562觸頭錯位，引起較高的輸出電壓，在電路中串入1 kΩ保護電阻R25，此時電阻器的數(shù)字量應為 204～24。

圖3 DC-DC升壓及電壓調整電路Fig.3 DC-DC booster and voltage regulation circuit

3）DC-DC電源通斷控制

由2.2知，為實現(xiàn)低功耗，只有在需要輸出電流時開啟DC-DC電源，本設計通過單片機驅動場效應管實現(xiàn)電源通斷控制。

3 軟件設計

如圖4，程序主要考慮低功耗要求，使用32 kHz低頻晶振作為單片機主時鐘ACK，并分配給輔助時鐘SMLK，在初始化后進行休眠，等待鍵盤操作。當要求輸出電流時，打開DC-DC電源并調整為最高電壓進行接入負載測試。通過電流反饋電路分析實際負載大小，進而通過MCP4562調整AD421的供電電壓。同時根據(jù)反饋電流大小判斷斷路、負載超限等異常，給出相應提示。

圖4 主要程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

4 實驗結果

在室溫條件下，從電流源的輸出精度、功耗、負載能力等方面測試了電流源的綜合性能。

由表1，電流源的最大絕對誤差為0.0004 mA，最大相對誤差0.0075%，達到16位精度要求；由表2知，最大負載可在（220～1020）Ω內變動，實際負載越小，電流源的效率越高。

表1 電流輸出精度測試Tab.1 Current source precision tests

表2 負載能力及電源測試Tab.2 Load capacity and power tests

5 結語

本文基于MSP430F235單片機和AD421芯片設計了便攜4～20 mA智能電流源。通過電流反饋電路檢測電流源的實際負載，通過MCP4562數(shù)字電位器按需調整DC-DC升壓電源的輸出，實現(xiàn)整機的低功耗運行和負載能力的自動調整。目前該儀表已經成功應用于工業(yè)現(xiàn)場4～20 mA直流輸出場合，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

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