智能仪表输出通道的一种组成方法
崔宗芳 李斌（上海大学）
在工业控制系统中，测量与控制仪表往往需要配上一个模拟输出通道 ，通常为0--10mA和4--20mA的形式。在智能化仪表中由于采用了以CPU为核心的数字化处理技术，仪表的输出通道需实现数字量到模拟量（电压 、电流）的输出。尽管数/模转换（D/A）和电压电流变换的技术早已广泛地应用在仪表中，但随着集成技术的发展，各种新的、更有特色的专用集成芯片的出现 ，给输出通道的设计提供了更多的方便性与灵活性。文献5讲述的是用Burr-Brown公司推出的单片V/I转换器XTR110实现远距离的信号传输 ，而本文主要介绍的是利用MAX531数/模转换器和电流变送器AD694构成输出通道的方法，而且考虑到国内仪表的多样性，为使应用范围更广 ，考虑了适用于输出0--10mA和4--20mA两种量程电流的输出通道组成方法。
一、智能仪表输出通道的特点
智能仪表处理的结果都是数字信号，而控制对象却是多种多样的，其中包括开关量控制装置 、直流伺服装置、数字控制装置和频率调制装置等等。这就决定了智能仪表输出通道除了应具有传统仪表输出通道的特点（如小信号输出，大功率控制；接近控制对象 ，环境恶劣）外，还应具有对输出通道的可组态特点：
1、模拟调试
由于许多系统现场调试难度大，花费多，因此可以用智能仪表进行模拟调试 。调试时由智能仪表模拟现场情况送出电流信号，以观察整个系统的响应情况。
2、输出量程的可选择
通过对对应按键的设置 ，通常应可以选择输出量程为0--10mA和4--20mA两种模式。
3、出错检验和报警
通过硬件或软件进行自动检测，能够及时发现故障，进行报警和故障处理 。根据实际情况，可以设置高位报警（报警时输出上限电流）或低位报警（报警时输出下限电流）。
二、系统输出通道的组成方法
智能仪表输出通道的构成方法很多种 ，图1是一种典型的输出通道框图。
图1 输出通道框图
对于智能仪表 ，它可以通过图中的键盘设置对输出通道进行组态，设置输出组态为0--10mA或4--20mA，输出电流是模拟调试时的输出还是实际的在线测量输出 ，同时还可以设置报警，即高位报警方式或低位报警。
光电隔离把输出通道和CPU系统隔离开来 。为了光电隔离的方便，可以使用串行数/模转换器，这样既节省了光电隔离器件，又节省了CPU资源 。数/模转换器的输出电压信号直接转换作为V/I转换器的输入信号。
实际应用中 ，根据信号传输速率的要求，与信号线连接的光电隔离器件要选择开关速度迅速的类型，而和片选线相连的光电隔离器件的开关速度可相对慢一些。如果要使串行数/模转换器的精度达到1/1000，则应使用12位的数/模转换器 。现在可用于输出电流的输出通道的组成方式有多种，我们采用的是12位串行D/A转换器MAX531和V/I变换器AD694。
MAX531是串行12位低功耗电压输出的D/A转换器 ，单电源供电，能够输出单极性电压和双极性电压，误差为±1LSB，精度高。
V/I变换器AD694是完整的电压输入到4--20mA电流输出的电流变送器 。4mA零电流可用一个TTL控制引脚开启和关断，因此它还可以输出0--20mA的电流，这又给实现0--10mA输出带来了可能。同时，该芯片的线性度好 ，仅有0.002%的典型非线性。
一种输出通道的原理图如图2所示。
图2
8051单片机在串行通信方式0下工作 ，将处理后的数据由RXD(P3.0)端串行输出到MAX531的DIN端口，TXD（P3.1）端输出移位脉冲 ，到MAX531的SLCK作为串行时钟输入，P2.7作为MAX531的片选信号连接到CE端 。AD694的+SIG端接到MAX531的VOUT脚并且采用输出0--20mA的连接方式。
由于AD694工作在0--20mA时 ，参考电平为2V，输入电平为0--2.5V，而MAX531的最大输出电压为5V，因此在MAX531和AD694之间必须接入一个电位器 ，用来调节AD694的输入电压。
此外 ，要实现0--10mA和4--2mA两种量程范围的输出必须由软件进行公式转换，在本系统中，键盘设置部分用来设置电流的输出量程，通过参数的设置达到量程的选择 ，从而可以输出这两个量程范围，转换过程如下：
假设仪表的超调裕度为10%，可得仪表的最大输出值为22mA，对应DA的值为4096.假设DA和电流的关系为：
由式（1）可得出k=12202（这里65536=216，是为了避免在单片机程序中出现小数运算），所以 ：
当输出量程为0--10mA时，输出电流为：
当输出量程为4--20mA时，输出电流为：
通过以上处理，可以实现两个量程的输出。由于当I=22mA时对应的DA值为4096，所以可得到分辨率为5.37μA。对应10mA时的输出为0.0537%，对应4mA时输出为0.134%，对应20mA时的输出为0.0268%。考虑到数/模转换器的误差(LSB)为±1，则可得到对应10mA时总的相对误差为0.1074%，4mA时为0.268%，20mA时为0.0536%.实际应用时 ，测试流程图如图3所示。
图3
三、实验实例和数据
在实际操作中，将电路按图2接好，注意各个信号之间的接地端要妥善处理 。输入数据与相应的输出结果以及用计算器按照线性关系计算，得出的结论数据均列于表1。将两种结果进行比较，当输入数据在1A1-FFF之间，即输出范围为4--20mA时 ，最大输出的相对误差为-0.1089%，在理论值之内。所以，可以得出结论：输出结果的精度非常高。
四、结束语
随着集成技术的发展，实现此功能的器件会多种多样，但是应用MAX531和AD694组成输出通道进行电压/电流转换 ，电路简单，容易实现.而且，由上例实际操作中得到的测量数据和按照理论计算的理论结果相比较，可以看出此种方法的精度非常高。因此 ，可以预见在实际工程测量和控制中应用会又很好的效果。
