STM32|4-20mA輸出電路,使用TL431

為工業(yè)場合開發(fā)的設(shè)備通常情況下都會具有4-20mA輸出接口，在以往沒有DAC模塊的單片機系統(tǒng)，需要外加一主片DAC實現(xiàn)模擬量的控制，或者采用PWM來摸擬DA，但也帶來溫漂和長期穩(wěn)定性問題。在以STM32為中心的設(shè)備中，使用它自帶的DAC即可非常方便的實現(xiàn)4-20mA的輸出接口，具有精度高、穩(wěn)定性好、漂移小以及編程方便等特點。

在STM32單片機系統(tǒng)中，100腳以下沒有外接出VREF引腳，但這樣使得DAC的參考端和VCC共用，帶來較大誤碼差，為解決這一問題，可以使用廉價的TL431來解決供電問題，TL431典型溫漂為30ppm，所以在一般應(yīng)用中已非常足夠。選用兩只低溫漂電阻，調(diào)整輸出使TL431的輸出電壓在3V-3.6V之間，它的并聯(lián)穩(wěn)壓電流可達到30mA，正好能滿足一般STM32核心的功耗需求。

利用TL431解決了供電問題，余下的就是4-20mA的轉(zhuǎn)換電路，如下圖：

上圖即為非常精確的轉(zhuǎn)換電路，OPA333是一顆非常優(yōu)異的單電源軌至軌運算放大器，其工作電壓為2.7-5.5V，其失調(diào)電壓僅為10uV，實測最低輸出為30uV，最高輸出可達VCC-30uV。電路組成壓控恒流源，其關(guān)鍵在于OPA333這顆芯片的優(yōu)異性能，使得以上電路獲得了極高的精度和穩(wěn)定性。DACOUT來自于STM32的DAC1或者DAC2輸出，由C25進行數(shù)字噪場濾波之后進入運算，進行1:1緩沖，后經(jīng)過Q2進行電流放大，在R7上形成檢測電壓，C17進行去抖動處理。4-20mA信號由AN_OUT+/AN_OUT-之間輸出。

上圖中，負載中的電流在R7上形成壓降，經(jīng)運放反饋后得到Vdacout=Vr7=I*R7，所以：I=Vdacout/R7，當Vdacout在400mV到2000mV之間變化時，可得到4-20mA的輸出。改變R7的大小，便可改變DACOUT的需求范圍。電路中，R2的基射極之間將有0.7V左右的偏壓，所以Vb[MAX]=2V+0.7V=2.7V，這正好在OPA333的輸出范圍之內(nèi)。電路中R14做為輸出端的限流電流，使得輸出端的最大輸出電流Imax=Vcc/(R7+R14)，若Vcc取6V，則Imax=6V/200 O=30mA，若沒有R14，則最大電流可能有60mA，這時R7上的耗散功率為0.06*0.06*100=0.36W，若選用0805貼片電阻，將導(dǎo)致R7燒壞，或者由于溫度升高太嚴重導(dǎo)致R7阻值變化太大輸出引起較大偏差。加入R14之后，R7上的最大耗散功率為：0.03*0.03*100=0.09W，此時在正常的范圍之內(nèi)。

電路中R14不可省去，C17不可省去，由于外負載可能的微小干擾或波動將導(dǎo)致OPA333組成的深度負反饋電路形成振蕩，使輸出電流波動，加入C17能抑制這種波動，使輸出更穩(wěn)定，但是C17的值不宜過大。

使用STM32編程應(yīng)注意，其內(nèi)部不應(yīng)當開DAC緩沖，因以上電路已經(jīng)為一個高輸入阻抗的緩沖電路。由STM32內(nèi)部緩沖電路將損失掉輸出線性度。