高精度4-20mA电流信号采集电路
阅读说明：本技术 高精度4-20mA电流信号采集电路 (High-precision 4-20mA current signal acquisition circuit ) 是由 夏朋浩 张兴堂 孙振涛 马文豪 吴彬 卓庆坤 凌云志 汪高武 邓超 曹力 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度4-20mA电流信号采集电路,该电路包括防反接模块,用于防止信号反接；电流旁路模块,用于接收所述防反接模块输出的电流信号且转化为对应的电压信号,并通过判断该电压信号是否超过预设电压阈值,控制电流的分流,保护后端电路；信号采集模块,用于采集上述电压信号；补偿和校正模块,用于对电压信号进行补偿和校正。本发明通过防反接模块、电流旁路模块、信号采集电路实现过电流、过电压的保护功能,通过补偿和校正模块实现信号的补偿和校正。本保护电路对输入信号影响小,对电流输入信号采集最大误差小于1uA；输入信号出现过大电压或大电流信号时,使过输入电路信号与被保护系统隔离,有效保护后级电路,可靠性高。(The invention discloses a high-precision 4-20mA current signal acquisition circuit, which comprises an anti-reverse connection module, a control module and a control module, wherein the anti-reverse connection module is used for preventing signals from being reversely connected; the current bypass module is used for receiving the current signal output by the reverse connection prevention module, converting the current signal into a corresponding voltage signal, controlling the current to be shunted and protecting the rear end circuit by judging whether the voltage signal exceeds a preset voltage threshold value or not; the signal acquisition module is used for acquiring the voltage signal; and the compensation and correction module is used for compensating and correcting the voltage signal. The invention realizes the protection function of over-current and over-voltage through the reverse connection prevention module, the current bypass module and the signal acquisition circuit, and realizes the compensation and correction of signals through the compensation and correction module. The protection circuit has small influence on input signals, and the maximum error of current input signal acquisition is less than 1 uA; when the input signal has an over-voltage or large-current signal, the over-input circuit signal is isolated from the protected system, the post-stage circuit is effectively protected, and the reliability is high.)
技术领域
本发明属于信号采集领域，特别涉及一种高精度4-20mA电流信号采集电路。
背景技术
工业应用中，使用电压传输信号会出现衰减并容易受到干扰，通过电流来传输信号不会因为距离长而出现衰减的情况，4-20mA的电流信号一种标准的工业控制领域应用的信号传输方式，在调试和使用过程中容易将外部的电源电压直接或者反接接入信号采集电路导致信号采集端的电路受损，造成经济损失和安全事故。
对此常规措施为保护电路，如图1所示(专利号：CN 103618285)，监视电压采集模块采集到的电压信号，并与预设阈值电压比较，如果超过预设电压阈值，则立即控制所述开关控制模块断开电流回路。其优点是输入超过预设阈值可以断开电路，缺点为电路处于不停的打开和断开过程，不利于信号采集。专利CN102842883A“电源过流保护电路”中描述了一种可以实现电源在发生输出过流或短路故障的情况下，快速的彻底截断输出电流，限制电源过流或短路故障时释放的能量，故障解除时，具有自恢复功能的电路。其优点是结构简单，但这些保护电路会存在漏电流的情况导致信号采集精度下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度4-20mA电流信号采集电路，在保护电路的同时实现高精度采集。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高精度4-20mA电流信号采集电路，所述电路包括：
防反接模块，用于防止信号反接；
电流旁路模块，用于接收所述防反接模块输出的电流信号且转化为对应的电压信号，并在判断到该电压信号超过预设电压阈值时，控制电流的分流，保护后端电路；
信号采集模块，用于采集上述电压信号；
补偿和校正模块，用于对所述电压信号进行补偿和校正。
进一步地，所述防反接模块包括第一PMOS管、二极管、第一电阻、第二电阻，所述第一PMOS管的漏极D连接电流输入端，源极S连接第二电阻的一端，栅极G通过第一电阻连接电流输出端；所述二极管的负极连接第一PMOS管的源极S，正极连接第一PMOS管的栅极G。
进一步地，所述电流旁路模块包括第三电阻、运算放大器、第二MOS管和电压基准源VREF；所述第三电阻的两端分别连接第二电阻的另一端和所述电流输出端；所述运算放大器的反向输入端连接第三电阻和第二电阻的公共端，正向输入端连接电压基准源VREF，输出端连接第二MOS管的栅极G，第二MOS管的漏极D和源极S分别连接运算放大器的反向输入端和所述电流输出端；所述第三电阻接收所述防反接模块输出的电流信号并将其转化为对应的电压信号，运算放大器实时监测所述电压信号并与预设阈值电压进行比较，若电压信号超过预设电压阈值，则立即打开第二MOS管，让电流从第二MOS管流过，对流经第三电阻的电流进行分流，降低第三电阻处的电压。
进一步地，所述信号采集模块包括ADC信号采集电路，用于采集所述第三电阻上的电压信号。
进一步地，所述防反接模块、电流旁路模块存在漏电流，需要通过补偿和校正模块对漏电流进行补偿，补偿公式为：
IIN＝IQ+IR3
式中，IQ为信号采集模块采集的漏电流对应的数字量，IR3为信号采集模块采集的经过第三电阻(R3)的电流对应的数字量，IIN为信号采集模块采集的补偿后的输入电流对应的数字量。
进一步地，所述补偿和校正模块包括一个增益寄存器和一个失调寄存器，用于实现电压信号校正，校正方式为：增益寄存器与数字量IIN相乘后再与失调寄存器相加，获得校正后的电压信号，校正公式为：
式中，ADCjz为校正后的电压信号，M为增益校正参数，C为失调校正参数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过滤防反接模块、电流旁路模块和信号采集电路实现过电流、过电压的保护功能，通过补偿和校正模块实现信号的补偿和校正，提高信号采集的精度；2)本保护电路对输入信号影响小，可以实现高精度的信号采集；3)响应速度快，输入信号出现过电流信号时，瞬间打开旁路电流电路，减少电压采集信号电阻上的电压值，有效保护后级电路；4)本电路使用的元器件实施成本低、精度高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明高精度4-20mA电流信号采集电路的电路图。
图2为一个实施例中防反接模块、电流旁路模块实施实例原理图。
图3为一个实施例中信号采集电路实施实例原理图。
图4为一个实施例中保护电路的漏电流和输入电流关系图。
图5为一个实施例中补偿和校正模块的校正原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图1，本发明提供了一种高精度4-20mA电流信号采集电路，所述电路包括：
防反接模块，用于防止信号反接；
电流旁路模块，用于接收所述防反接模块输出的电流信号且转化为对应的电压信号，并在判断到该电压信号超过预设电压阈值时，控制电流的分流，保护后端电路；
信号采集模块，用于采集上述电压信号；
补偿和校正模块，用于对所述电压信号进行补偿和校正。
进一步地，在其中一个实施例中，所述防反接模块包括第一PMOS管Q1、二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2，所述第一PMOS管Q1的漏极D连接电流输入端，源极S连接第二电阻R2的一端，栅极G通过第一电阻R1连接电流输出端；所述二极管D1的负极连接第一PMOS管Q1的源极S，正极连接第一PMOS管Q1的栅极G。
进一步地，在其中一个实施例中，所述电流旁路模块包括第三电阻R3、运算放大器U1、第二MOS管Q2和电压基准源VREF；所述第三电阻R3的两端分别连接第二电阻R2的另一端和所述电流输出端；所述运算放大器U1的反向输入端连接第三电阻R3和第二电阻R2的公共端，正向输入端连接电压基准源VREF，输出端连接第二MOS管Q2的栅极G，第二MOS管Q2的漏极D和源极S分别连接运算放大器U1的反向输入端和所述电流输出端；所述第三电阻R3接收所述防反接模块输出的电流信号并将其转化为对应的电压信号，运算放大器U1实时监测所述电压信号并与预设阈值电压进行比较，若电压信号超过预设电压阈值，则立即打开第二MOS管Q2，让电流从第二MOS管Q2流过，对流经第三电阻R3的电流进行分流，降低第三电阻R3处的电压。
进一步地，在其中一个实施例中，所述信号采集模块包括ADC信号采集电路，用于采集所述第三电阻R3上的电压信号。
进一步地，在其中一个实施例中，所述防反接模块、电流旁路模块存在漏电流，需要通过对漏电流进行补偿，补偿公式为：
IIN＝IQ+IR3
式中，IQ为信号采集模块采集的漏电流对应的数字量，IR3为信号采集模块采集的经过第三电阻R3的电流对应的数字量，IIN为信号采集模块采集的补偿后的输入电流对应的数字量。
进一步地，在其中一个实施例中，所述补偿和校正模块包括一个增益寄存器和一个失调寄存器，用于实现电压信号校正(消除整个信号链的增益和失调误差)，结合图5，校正方式为：增益寄存器与数字量IIN相乘后再与失调寄存器相加，获得校正后的电压信号，校正公式为：
式中，ADCjz为校正后的电压信号，M为增益校正参数，C为失调校正参数。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明高精度4-20mA电流信号采集电路进行进一步验证说明：
本实施例防反接模块、电流旁路模块如下图2所示，Q1、Q2和R2电阻搭配使用，选择额定电流较大的MOS，保证大电压接入时产生的电路不超过额定电流，信号采集模块如图3所示，该模块采用AD7656芯片，为16bitADC芯片，采集电压范围为0-10V。ADC芯片输入0V时，AD7656芯片输出的数字量为016；ADC芯片输入5V时，AD7656芯片输出的数字量为800016。
因为防反接模块、电流旁路模块存在漏电流，需要对漏电流进行补偿，通过测量得到本实施例保护电路的漏电流和输入电流的关系如图4所示，利用分段函数给出iIN和iQ的关系iQ＝AiIN+B，最后将iQ补偿回来。关系iQ＝AiIN+B如下：
式中，iQ表示漏电流，iIN为信号采集模块采集到的输入电流。
若没有保护电路，采集到的数字量为：
若采用了本发明的保护电路，通过250Ω电阻的电流最后变为数字量I250Ω：
同时有IIN-IQ＝I250Ω
得到补偿后的数字量：
因采集通道中存在误差，为了实现高精度采集，需要对采集数据进行进一步校正，校正公式为：
其中增益校正参数M和C的计算为：
输入0mA时，ADCjz＝016
输入20mA时，ADCjz＝800016
通过上述两个公式求解增益校正参数M和失调校正参数C(公式中的角标16表示十六进制的数)。
在第一次调试时将增益校正参数(M)和失调校正参数(C)存储在板载EEPROM存储芯片中(本实施实例采用了24LC32EEPROM芯片)，之后每次上电加载校正数据到增益校正参数(M)和失调校正参数(C)，自动进行校正计算。
综上所述，本发明提供的高精度4-20mA电流信号采集电路，通过防反接模块、电流旁路模块、信号采集电路实现过电流、过电压的保护功能，通过补偿和校正模块实现信号的补偿和校正，提高信号采集的精度。本保护电路对输入信号影响小，对电流输入信号采集最大误差小于1uA；输入信号出现过电流过电压信号时，使过电流过电压信号与被保护系统隔离，有效保护后级电路，可靠性高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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