电流模拟量输出4-20mA电路设计方案

为工业场合开发的设备通常情况下都会具有4-20mA输出接口，在以往没有DAC模块的单片机系统，需要外加一主片DAC实现模拟量的控制，或者采用PWM来摸拟DA，但也带来温漂和长期稳定性问题。在以STM32为中心的设备中，使用它自带的DAC即可非常方便的实现4-20mA的输出接口，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，100脚以下没有外接出VREF引脚，但这样使得DAC的参考端和VCC共用，带来较大误码差，为解决这一问题，可以使用廉价的TL431来解决供电问题，TL431典型温漂为30ppm，所以在一般应用中已非常足够。选用两只低温漂电阻，调整输出使TL431的输出电压在3V-3.6V之间，它的并联稳压电流可达到30mA，正好能满足一般STM32核心的功耗需求。

　　利用TL431解决了供电问题，余下的就是4-20mA的转换电路，如下图：

　　上图即为非常精确的转换电路，OPA333是一颗非常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。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。

　　上图中，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。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，由于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。

　　使用STM32编程应注意，其内部不应当开DAC缓冲，因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。