一种基于叠加原理的4-20mA至ADC采样电路及方法与流程

本申请涉及工业模拟信号调理、嵌入式adc数据采集，具体涉及一种采用双运放硬件架构，基于电路叠加原理将工业标准4-20ma电流信号线性转换为0-3.2v电压信号，以适配3.3v单电源供电嵌入式微控制器adc的专用采样电路及方法。

背景技术：

1、在工业自动化及传感器远程采集领域，4-20ma电流信号凭借传输距离远、抗电磁干扰能力强、无线路压降损耗等优势，已成为行业通用的模拟信号传输标准。然而，当前主流嵌入式微控制器的adc模块多采用3.3v单电源供电，其安全采样电压区间多为0-3.3v，无法直接采集4-20ma电流信号，需要经过信号调理电路进行适配。

2、现有的信号调理技术主要存在以下技术弊端：常规的单运放iv转换电路产生的电压信号范围过小（如0.2v-1v），与adc量程不匹配，单纯放大易出现信号溢出，导致量程利用率不足50%；传统差分放大电路直接采用电源分压提供基准，无缓冲隔离，后级负载会直接拉偏基准电压，导致严重的零点漂移与线性度变差；而多级运放级联调理方案虽能实现量程放大，但结构复杂，会引入运放失调电压、温漂及高频噪声等多重误差，且硬件成本高、调试难度大。

技术实现思路

1、为解决现有技术中量程适配差、零点漂移大、电路复杂的问题，本申请提供了一种基于叠加原理的4-20ma电流精准转换adc采样电路及方法。

2、在电路硬件架构方面，本申请包含iv转换单元、基准电压缓冲单元、信号叠加放大单元及滤波抗干扰单元。

3、所述iv转换单元利用采样电阻将输入的4-20ma电流信号转换为初始电压信号；所述基准电压缓冲单元通过第一分压电阻与第二分压电阻串联于供电电源两端，利用第一运放构成电压跟随器进行缓冲隔离，输出不受后级负载影响的稳定基准电压；所述信号叠加放大单元采用第二运放，其同相端接收初始电压信号，反相端则通过接地电阻接地，并通过反馈电阻接入第一运放输出的稳定基准电压。

4、通过将反馈电阻与接地电阻配置为等值阻值，并依据线性电路叠加原理，信号叠加放大单元对输入信号进行2倍放大，同时对基准信号进行1倍反向叠加，使最终的输出电压严格满足固定数学运算公式。

5、同时，滤波抗干扰单元在电路供电电源轨及两运放的电源引脚处设置去耦电容组，以抑制外部与内部的高频噪声。

6、在信号采集方法方面，基于上述硬件电路，本申请提供如下步骤实现精准转换：

7、首先，利用采样电阻直接将工业电流信号转换为初始电压；

8、随后，利用串联分压与电压跟随器，输出稳定的基准电压；

9、接着，基于等值反馈与接地电阻构建的运放网络，对初始电压和基准电压分别进行特定倍数的正向放大与反向叠加，并在运放输出端完成两路信号的融合；

10、最终，输出映射至adc采样区间内的目标电压，从而完成4ma对应adc零点、20ma对应adc满量程的精准线性采样。

11、本发明为一种基于叠加原理的4-20ma至adc采样电路及方法，具备以下有益效果：

12、本申请通过设定采样电阻及分压电阻的固定阻值比值，结合等值的反馈与接地电阻，利用叠加原理严格遵循vout=2vin−vref的线性数学运算。该设计实现了4-20ma电流到0-3.2v电压的完美区间映射，使adc量程利用率达到100%，全量程线性度可达99.9%以上，彻底解决了传统方案信号溢出或量程利用率不足的问题。

13、本申请突破了常规多级运放级联的复杂架构，仅采用双运放配合极少的精密电阻即可完成信号的放大与偏置减法的一体化处理。极简的结构不仅大幅降低了硬件成本与pcb面积，同时也极大减少了运放失调电压、温漂及高频噪声的多重叠加，显著提升了电路长期工作的稳定性。

14、有别于传统差分放大电路直接利用电源分压作为基准的作法，本申请创新性地引入电压跟随器对基准电压进行隔离缓冲。这一设计杜绝了后级负载牵引造成的基准电压漂移，保证了零点的绝对准确。同时，滤波抗干扰单元分别在供电电源轨、第一运放及第二运放的电源引脚处设置去耦电容，形成了全覆盖的电源噪声滤除网络，极大提升了电路在各类恶劣工业环境中的抗干扰能力。

15、本申请中所有元器件均为定值固定参数，无需任何可调电位器即可直接输出标准信号，实现了真正的“免调试”，极利于产业化批量生产与现场快速更换。电路采用3.3v单电源供电，且供电电源与adc采样模块完全共源，既简化了系统电源管理，又规避了地电位漂移带来的采样误差，在保证高精度的前提下，实现了极低的生产成本与功耗。

1.一种基于叠加原理的4-20ma至adc采样电路，其特征在于，包括：iv转换单元、基准电压缓冲单元、信号叠加放大单元和滤波抗干扰单元；

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，第一分压电阻r1、第二分压电阻r2的阻值比值配置为：使得所述第一运放u1输出的基准电压vref等于所述采样电阻rs对应4ma输入电流时产生电压的二倍。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一运放u1和第二运放u2均为与所述adc采样电路同电源电压供电的轨到轨输入输出运算放大器。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述滤波抗干扰单元包括去耦电容组，所述去耦电容组的电容分别设置于所述电路供电电源轨、所述第一运放u1的电源引脚以及所述第二运放u2的电源引脚与地之间，用于抑制供电电源的纹波与高频干扰。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述采样电阻rs、分压电阻r1、r2、反馈电阻rf、接地电阻rg均为高精度、低温度系数的金属膜电阻。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述采样电阻rs的阻值为100ω；所述分压电阻r1的阻值为5kω，所述分压电阻r2的阻值为1.6kω；所述反馈电阻rf与所述接地电阻rg的阻值均为10kω。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述adc采样区间的上限值为3.2v，下限值为0v，所述电路输出端电压vout根据输入电流的变化线性映射于0v至3.2v之间。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路采用3.3v单电源供电，且所述供电电源与adc采样模块的供电电源共源。

9.一种基于叠加原理的4-20ma电流转换adc采样方法，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的电路，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤1中，4ma电流输入时采样电阻产生的电压为0.4v；