Как преобразовать токовый сигнал в сигнал напряжения

Преобразователь тока в напряжение

В большинстве случаев электронные схемы предназначены для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока; такие сигналы возникают, например, на выходе фотоумножителя или фотодиода. Тогда желательно при первой воз-

Рис. 11.22. Преобразователи тока в напряжение:

а — простой резистор; б — вариант с мнимой землей.

можности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Простейшим преобразователем тока в напряжение является одиночный резистор (рис. 11.22, а), но у такого преобразователя относительно велики входное и выходное сопротивления (равные R). Для токового входного сигнала не требуется, чтобы входное сопротивление было большим; чем оно больше, тем хуже частотная характеристика на высоких частотах, когда значительной является собственная емкость источника сигнала. На рис. 11.22, б показан преобразователь тока в напряжение на основе ОУ; в этой схеме входной ток течет непосредственно в мнимую землю. Здесь входное сопротивление очень мало, и это значит, что емкость кабеля фактически не действует. Кроме того, выходное сопротивление схемы также мало благодаря ОУ. Используя обычные предположения об ОУ, имеем

Поскольку Е — это мнимая земля, то

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Источник

Преобразование ток/напряжение

Часто возникает необходимость преобразования токовых сигналов в напряжение и наоборот. Например, сила тока стандартного аналогового измерительного сигнала может составлять от 4 до 20 мА, и часто возникает необходимость преобразования этого сигнала в напряжение для отображения результатов на дисплее. Аналогично может потребоваться преобразование напряжения в ток для использования такого сигнала, например, в системах передачи сигналов.

При необходимости передачи аналоговой информации на значительные расстояния токовые сигналы в целом предпочтительнее, чем напряжение, поскольку они менее подвержены влиянию помех и сопротивления линии. Схемы для преобразования тока в напряжение и наоборот для аналоговых сигналов показаны па Рис. 3.11.

Рис. 3.11. Преобразование:

а — напряжения в ток,
б — тока в напряжение.

На Рис. 3.11а показана схема преобразования напряжения в ток с помощью повторителя напряжения. Как обычно. V₁ = V_in, но V₁ = I*R . где I — ток, протекающий в нагрузке. Поэтому ток I задается напряжением V_in и совершенно не зависит от сопротивления нагрузки (при условии, что выход усилителя не находится в насыщении).

Чтобы преобразовать токовый сигнал в напряжение, применяется схема, изображенная на Рис. 3.11б. Ток протекает через сопротивление нагрузки, подключенной параллельно входу стандартного дифференциального усилителя. Напряжение на сопротивлении нагрузки составляет просто I*R [В]; выходное напряжение определяется коэффициентом усиления дифференциального усилителя, как описывалось ранее.

Если обе схемы используются совместно, сопротивления резисторов на Рис. 3.11а и Рис. 3.11б равны, а дифференциальный усилитель обеспечивает единичный коэффициент усиления, конечная схема будет представлять собой звено линии передачи данных, которое можно использовать для передачи аналоговых величин через участки с высоким уровнем электрических помех.

Источник

Преобразование напряжения сигнала в ток

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения, поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:

Преобразователь напряжения в ток на операционном усилителе

Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с R_нагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление R_нагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через R_нагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1–5 В на входе / 4–20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.

Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.

Источник

Конвертер тока 4..20 mA в напряжение XY-ITOV

Промышленные датчики, сообщающие об изменении измеряемого параметра изменением тока в диапазоне 4.. 20 мА, широко распространены. Они обладают высокой помехоустойчивостью, поэтому к такому датчику можно подвести кабель длиной в несколько сотен метров. В статье я сделал подробное сравнение АЦП ESP32 и ADS1115 как раз на задаче определения тока 4..20 мА.

Простейший способ подключения датчика с токовой петлей 4..20 мА к микроконтроллеру — использовать следующую схему:

В ней нет гальванической развязки. Стабилитрон защищает входы микроконтроллера от напряжения превышающего 5,1 V и переплюсовки. На схеме стабилитрон и сопротивление R1 рассчитаны для микроконтроллера с 5-ти вольтовым уровнем ADC (Arduino). Для «чистых» ESP8266/32 нужны другие элементы, рассчитанные на предельное 1 V напряжение на АЦП.

Если смоделировать какое напряжение будет на АЦП микроконтроллера при протекании максимального тока в 20 мА, то видно, что из-за нелинейной вольтамперной характеристики стабилитрона происходит искажение напряжения и вместо 1V АЦП замерит 949 mV. Если-же убрать стабилитрон, есть риск выхода из строя входа микроконтроллера в случае подключения длинных линий, выступающих в роли индуктивности. Диод защищает вход микроконтроллера от отрицательных скачков напряжения.

В первой схеме, ток протекая через сопротивлление 250 Ом по закону Ома приводит к появлению на нем напряжения U = I*R.
Umin = 4 мА * 250 Ом = 1 В.
Umax = 20 мА * 250 Ом = 5 В.

Резистор соответствует уровню логики Arduino. Для микроконтроллеров ESP8266/ESP32 распаянных на плате с резистивным делителем преобразующим 3,3 В в 1 V на ADC сопротивление должно быть R = U/I. Rmax = 3 В / 20 mA = 150 Ом. Если же на плате не распаян резистивный делитель напряжения, тогда на АЦП напряжение не должно превышать 1,1 V.

Проверяем, что резистор стандартный с помощью калькулятора. Или сразу рассчитываем сопротивление подходящего резистора с помощью Resistance calculator. Падение напряжения на резисторе при минимальном токе Umin = 4 mA * 150 = 0,6 Вольт.

Есть и более сложные схемы. Например, скан из книги «1000 и одна микроконтроллерная схема». Автор Рюмик С.М. найденный на просторах Интернет:

Я подробно рассмотрел реализацию схему подключения датчиков 4..20 мА к микроконтроллеру ESP32 на операционном усилителе в другой статье.

Чтобы точно измерить изменение тока, резистор R1 на 250 Ом для Arduino на котором микроконтроллер замеряет напряжение (U = I*R) должен быть с минимальным допуском: 1% или лучше.

Здесь не подходит гальваническая развязка оптроном, поскольку его характеристика нелинейная, поэтому он будет искажать измерения.

Плата для преобразования тока 4..20 мА в напряжение

После продолжительных поисков мне удалось найти на Aliexpress модуль, реализующий преобразование ток 4..20 мА в напряжение и достаточно защищенный от разных напастей. Приобретал у этого продавца.

Напряжение питания модуля 7-36V. Если выставлен диапазон выходного напряжения 10 V, то напряжение питания должно быть не меньше 12 V.

• Прецизионный резистор на котором замеряется падение напряжения.
• Защита входа от ошибки с полярностью.
• Защита от превышения напряжения >5 V.
• Усилитель, обеспечивающий напряжение на выходе в определенных диапазонах, заданных джамперами.

Настройка платы на нужный диапазон выходного напряжения производится джамперами.

• ON: jumper cap buckles on the two jumper pins — джампер закорочен
• OFF: two jumper pins without the jumper cap — джампер снят

Range, Volt	J1, перемычка 1-2	J1, перемычка 3-4
0 — 2.5	ON	ON
0 — 3.3	OFF	OFF
0 — 5.0	ON.	ON
0 — 10.0	ON	OFF

Для точной настройки преобразователя тока 4..20 мА в напряжение нужно подобрать значения двух потенциометров: ZERO и SPAN, соответствующие нулевому и максимальному значению тока на входе. Потенциометры претензионные с широким шагом.

• При минимальном токе на входе (0 mA или 4 mA), вращая потенциометр ZERO, настроить нужное напряжение на выходе, соответствующее заданному току нуля. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.
• Я не рекомендую выставлять 0 Вольт при минимальном токе 4 мА, поскольку в этом случае микроконтроллер не сможет определить оборван ли кабель к датчику или он действительно показывает минимальные значения.
• При максимальном токе в 20 мА, вращая переменное сопротивление SPAN, подбирается максимальное значение в выствленном джамперами диапазоне. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.

Тестирование конвертера тока 4..20 мА в напряжение

Для настройки конвертера на вход подадим ток с простой последовательной цепочки источник питания (ИП) + резистор. По закону Ома, если напряжение ИП = 5 В, то^

• Для тока 4 мА потребуется сопротивление R = 1,25 кОм (ближайший 1,2 кОм).
• Для тока 20 мА — 250 Ом.

При этом учитываем тот момент, что на входе XY-ITOV, судя по моим замерам, стоит сопротивление на 99,5 Ом. Соответсвенно, в цепи уже есть сопротивление

100 Ом. Поэтому значения граничных сопротивлений будут:

Последовательно соединяем резистор на 1,2 кОм. Я использовал на 10 кОм, под рукой не оказалось другого.

Калибровка XY-ITOV конвертера тока 4..20 мА в напряжение

Подключил XY-ITOV к источнику питания

14 V. Если джамперами выставлено напряжение до 10 V, то источник питания должен быть >12V.

Оба джампер-а снял, чтобы диапазон напряжений был 0..3,3 V.

Подключаю амперметр как указано на схеме.

Подключаю мультиметр к клеммам Vout и GND и вращая потенциометр ZERO выставляю нижний диапазон напряжений на Vout. Я выставил 0,66 V для тока 4 mA.

Вращая потенциометр R1 подбираю ток на амперметре 20 mA.

Подключаю мультимер к клеммам Vout и вращая потенциометр SPAN выставляю верхний диапазон напряжений на Vout. Я выставил 3,3 V для тока 20 mA.

Если снять соединение источника питания с I-/I+, имитируя обрыв провода до сенсора, то на выходе будет напряжение 0,08 V.

Конвертер тока 4..20 mA в напряжение XY-ITOV откалиброван для работы.

Если вместо источника питания с напряжением >7 V использовать меньшее напряжение, для теста я использовал 5 V, преобразователь показывает Vou t= 2,94 V. При этом калибровка не проходит. Вращение потенциометра SPAN не приводит к изменению напряжения на выходе. Оно остается = 2,94 V.

Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP8266

Wemos D1 mini (ESP8266) широко представлен на Aliexpress по цене менее 3 USD. Подключим плату преобразователя тока в напряжение к этому микроконтроллеру.

После тщательной калибровки подключаем землю от конвертера к пину G(ND) Wemos D1 mini, а Vout к пину A0.

Поскольку конвертер 10-ти битный, то количество уровней равно 2^10 = 1024. В теории, диапазон измерения напряжения АЦП ESP8266 от 0 до 1 V. Производители плат распаивают дополнительный резистивный делитель напряжения, поэтому данные о том, какое напряжение поддерживает АЦП нужно смотреть у производителя платы. 🙁 В источниках указывается, что «Wemos D1 Mini has already build in divider R1 220k/ R2 100k for pin A0», поэтому напряжение может меняться от 0 до 3,3 V. При калибровке было выставлено, что 20 mA соответствует 3 V. Верхнему напряжению должно соотвествовать значение 1023, поскольку 0 соответствует 0, а всего 1024 уровня. Расчетно получаем, что L = 1023*3/3,3 = 930.

Однако, если подать на вход аналогового входа напряжение 3 V, то АЦП отобразит значение 991, что значительно отличается от теоретического расчета. Если пересчитать какой-же верхний предел соотвествует полученному для 3 V значению, то получится: 991*3,3/1023 = 3,196774 V. В общем, то-ли АЦП настолько плох, то-ли какие-то иные проблемы.

Формула для пересчета значения АЦП в ток, I = adc*20(mA)/991, где adc — величина, считанная с входа АЦП.

После запуска программы получаем следующие результаты:

Если отсоединить источник тока, то АЦП показывает нулевое значение. Разрядности АЦП не хватает, чтобы распознать столь маленькое значение напряжение. По нулю на АЦП можно идентифицировать обрыв провода.

ЦАП может быть программно переключен на измерение напряжения питания, в этом случае значения со входа A0 читать бессмысленно.

Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP32

Подключаю землю от конвертера к пину G(ND) ESP32 DevKit, а Vout к пину ADC1_0 (GPIO36). В общем-то можно переносить код ESP8266 на ESP32 — он будет работать с парой правок: pin для чтения не 0, а 36 и поправочный коэффициент ориентировочно 3350. Точно откалибровать сложно. 12-битный АЦП достаточно точный, поэтому будет читать и малейшие изменения входного напряжения. Кроме того сам АЦП без откалиброванного опорного напряжения (reference voltage) не сможет обеспечить точные измерения.

Можно использовать другой вариант кода для измерения напряжения на ESP32. Но в этом случае поправочный коэффициент будет 3850:

Для сглаживания шума в схемотехнику ESP32 производитель рекомендует добавить емкость 0.1 uF на вход АЦП, который задействован и использовать усреднение по нескольким отсчетам.

Конвертер напряжения в ток 4..20 мА

По этой ссылке можно найти антипод ранее рассморенному модулю, производящий обратное преобразование напряжение в ток 4..20 мА (voltage to current converter). Этот модуль при подключении к датчику напряжения позволит увеличить длину кабеля от него до микроконтроллера.

Аналоги преобразователей тока 4..20 мА

Если искать на просторах интернет то конвертеры тока 4..20 мА в напряжение от брендовых производителей стоят недешево,

22 USD. Например, такой. К нему можно подключить до 4-х сенсоров, т.е. цена за сенсор в районе 5 USD. На плате уже есть 16-ти разрядный АЦП, это ещё около 1,5 USD экономии. 🙂

Fritzing part для current to voltage 4..20 mA converter

Не нашел в Интернет подходящий fritzing part для конвертера тока 4..20 мА в напряжение. Поэтому нарисовал свой. Брать здесь. Не забываем лайкать. 🙂

Пример схемотехники конвертера 4..20 мА из проекта

В одном из проектов использовал следующую схему.

Подключение двух токовых датчиков 4..20 мА к АЦП микроконтроллера ESP8266/ESP32 с защитой на MAX14626.

Защита входа операционного усилителя с помощью MAX14626. Подробный расчет здесь.

Источник