4~20mA电流采集模块

一、设计方案

针对电流输出型传感器（4~20mA或者0~20mA）,设计了这款电流采集模块。主要是通过运放搭建电流放大电路，并通过二阶低通滤波后送入带有12位ADC的单片机，通过数码管显示电流值，并通过串口打印数据。

二、方案解析

1、电流采集放大电路

该电路是典型的运放低侧电流监测的应用，采样电阻R20为10Ω，精度0.1%  25PPM/℃。R5、R4、R6、R7以及运放U1组成差分放大电路，因为R5=R6、R4=R7，所以该差分放大电路的Vout = Vin * （R4/R5）。所以CN1处的电压等于 被测电流*10*10 （0~2V）。断开H1，万用表调至mA电流档,可以监测回路中的电流大小。正常使用时，短接H1即可。

2、二阶低通滤波

这是一个典型的单位增益KRC电路又称塞林更（Sallen-Key）滤波器，截止频率fc=1/（2*pi*（R1*R2*C5*C6）^0.5） ，可以通过电子发烧友上的计算器（运放低通滤波器在线计算工具）。

我这边设计的是需要滤掉工频干扰的50HZ，通过计算并查找相关电阻阻值和电容容值，确定R1 = R2 = 10KΩ，C5 = 220nF,C6=470nF,通过截止频率计算公式算出fc = 49.5HZ。

电路中运算放大器选用常用的KTA333（SOT-23封装）低噪声低温漂精密运算放大器。 它的输入失调电压小于 10μV，输入偏置电流±100pA，输入失调电压±120pV,失调电压漂移仅有 0.05μV/℃。

3、其它功能介绍

单片机采用STC的STC8H3K32S2-45I-LQFP32，该芯片具有12位的ADC，可以满足本方案的采样精度要求。并且在电路中增加TL431电路作为单片机ADC的参考电压。运放放大后的最大电压值是2V，参考电压可以设置成2.5V。而且参考电压设置为2.5V比直接用5V系统电源可以提高采样精度。

显示部分采用的是TM1650可以驱动4位8段数码管，进行测试值显示。

电源部分，采用TPS5430降压芯片，输入可以5.5 V ~ 36 V宽电压供电。

三、电路调试

1、检查供电电压 & 2.5V参考电压

 

2、电流经过采样电阻R20、差分放大电路放大100倍后的电压值：

 

电流（mA)	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
CN1电压值（mV)	395	491	588	685	783	882	978	1075	1175	1271	1368	1467	1558	1662	1763	1860	1963
CN2电压值（mV)	395	490	588	685	783	882	978	1074	1175	1271	1369	1467	1558	1662	1763	1861	1962

 

拟合曲线为y = 97.85x，因为4.99K和49.9K电阻存在误差，后期可以换成0.1%的再试一下。

3、单片机采集数值

TempData = temp * 2.510 /65536 ;  经过单片机采集后，显示数值只差0.01mA,可以忽略不计。

将上面的拟合曲线写入程序中，测试结果还是可以的。

审核编辑 黄昊宇