4~20mA利于工业现场信号的远程无衰减抗干扰传输，但该电流信号须转换为电压信号并经过A/D转换才便于MCU处理。试设计一个4~20mA转0~5V的I/V电路。

【构思】将电流信号转换为电压信号，最简单直接的办法是使用取样电阻，即让4~20mA经过一个电阻形成电压，这个电阻可以取5V/20mA=250Ω（取样电阻Rs），为使转换精度足够高，使用1%的精密电阻，标准电阻系列中最接近250Ω的电阻是249Ω 1%，故取样电阻Rs=249Ω（精度1%）。如下图：

上面的I/V转换电路存在两个问题：一、Ui的范围为249*(4~20mA)，约为1~5V，这不符合0~5V的设计要求；二、Ii与Ui没有高阻抗隔离，易受到Ui之后负载的干扰，稳定性很差。

鉴于上面电路的缺点，Ii与Ui之间必须加入高阻抗电路，而且为提升信号转换的稳定性，必须加入负反馈环节。高输入阻抗，负反馈环节，这使人想到基于运放的放大电路。为使4mA与0V对应，我们可构造函数关系：Uo=k*(Ii-4)。当Ii=4mA时，Uo=0V；为使Ii=20mA时，Uo=5V，必须使系数k=5/(20-4)=5/16，所以Uo=(5/16)*(Ii-4)=0.3125Ii-1.25，上式右边分成两部分0.3125Ii和-1.25，这使人分别联想到同相比例放大器和减法器。首先构造同相比例放大器（这里我使用超低失调的op07运放，双电源±15V供电，此电源的设计略）：

上面的电路实现了三个目标：1.高阻隔离了输入信号Ii与输出信号Uo，使Uo所接负载不会直接干扰Ii；2.Rf形成负反馈环节，当Ii确定时，Uo就确定了。但如果Uo因为后级电路的扰动而减小，这是送给运放2脚（反相端）的电压减小，及负反馈量减小，那么将使运放得输出增大，于是一降一升恢复了Uo的值，从而稳定了Ii与Uo的严格对应关系。到此，我们实现了0.3125Ii的可能电路结构。

接着我们来实现-1.25V的部分：既然输入Ii从同相端输入，那么负电压信号-1.25V必然要从反相端输入，而1.25V的电压可通过+15V电压分压得到。于是必然得到下面的电路：

对上面的电路稍作分析，发现存在一个严重的问题：Ii*Rs给运放的2脚和3脚确定一个电压（此电压可变），+15V通过R3、R4分压给定运放2脚一个电压（此电压是固定值），显然一个变化的电压不可能始终等于一个固定的电压。所以上面的电路需要改进：既然不允许这两个电压相等，那就在二者之间插入一个电阻隔离开吧。如下图中的电阻R5：

上面的电路是否能实现设计意图，凑出Uo=0.3125Ii-1.25的关系，下篇我们会进行试算。如果试算成功，将精算元件参数；如果试算表明电路结构还需改进，那就继续探索改进电路结构。

上面的电路是否有可能实现4~20mA转0~5V，即Uo=0.3125Ii-1.25，我们不妨试算一下： 根据虚断虚短，Ii*Rs=Ui=V3=V2；根据KCL电流节点定律：考虑由R2、R5、Rf形成的节点，(Uo-V2)/Rf=V2/R2+(V2-Ud)/R5。 将V2=Ii*Rs及Ud=15*R4/(R3+R4)代入上式，整理得到：Uo=[1+Rf/R2+Rf/R5)]*Rs*Ii-15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]。 注意：由于上式的输入电流Ii单位为mA，而输出电压Uo的单位为V，故所有电阻的单位为V/mA=kΩ（简称k），从而Rs=0.249k。 接下来，我们的目标是使：[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25。从数学直观上来说，上面两式是有可能实现的——我们的运气不错。 为了尽量减小R2、Rf对分压电阻R3、R4的影响，不妨使R5取相对于其他电阻很大的值，比如R5=200k。反相端的电阻R2取100k，运放的最大输入端电流不超过5/(100)=50uA。将R2=100k，R5=200k代入[1+Rf/R2+Rf/R5)]*0.249=0.3125，得到： (1+Rf/100+Rf/200)*0.249=0.3125，求得Rf=17k（没有这个标准的电阻，但为了后面的计算，我们暂且采用这个非标值，等确定所有电阻值后，再一并处理）。 再考虑15Rf*R4/[R5*(R3+R4)]=1.25，前已确定Rf=17k，R5=200k，代入式中并稍加整理得到：R4=50R3。 为计算方便，不妨取R3=2k，R4=100k（分压电阻尽量大些，减少不必要的功耗）。为保证精度，这两个电阻使用1%的精度。 为使运放“零输入时零输出”，R1≈R2//Rf=100k//17k≈15k(由于R5较大，在计算的处理上可忽略)。

至此，所有电阻值确定了，如下图：

考虑到Rf=17k并非标准电阻，而且为了保证转换精度，Rf可用20k 1%的多圈电位器代替。如下图：

【仿真验证】给输入端添加一个电流源模型CSOURCE，将电位器Rf的值调到1-17/20=15%，依次使电流源的电流为4mA、10mA，使用电流探针和电压探针分别显示对应的输入电流Ii和输出电压Uo如下：

从上图可以看到：当Ii=0.004A=4mA时，Uo=0.0114282V≈0V。

从上图可以看到：当Ii=0.004A=10mA时，Uo=1.88518V≈1.89V。理论值Uo=0.3125Ii-1.25=0.3125*10-1.25=1.875V，误差不大。 限于篇幅，20mA的仿真验证我就不展示了，Uo的输出非常接近5V（大约为5.013V）。 自此，4~20mA转0~5V的电路设计完毕，需要郑重说明的是，这个电路完全基于个人的构想，之前在教科书及全网是找不到的，这里仅提供一种设计电路的思想和习惯，至于它是否适合于实际工程应用，有待实践检验——也许，还需改良吧。 ------------------END--------------------- 免责声明：本文转自网络，版权归原作者所有，如涉及作品版权问题，请及时与我们联系，谢谢！