Wie liest diese Schaltung den 4-20-mA-Stromschleifeneingang über Operationsverstärker?

Ich bin ein Software-Typ, der daran arbeitet, ein Steuersystem auf einer Platine zu programmieren, deren Hardware-Designer alle weg sind. Während ich alles andere zum Laufen gebracht habe, gibt es ein Stück (einen 4-20-mA-Stromschleifeneingang), für das ich nicht klar genug bin, um mit dem Codieren zu beginnen. Anbei das Bild.

Eingabe-Subsystem

J12 (Pin 2 wird nicht verwendet) ist der Eingang vom Potentiometer. Ich habe dies funktioniert, indem ich P1.3 in meinem Code gelesen habe (0-3 V über 10-Bit-ADC dem Bereich 0-1023 zugeordnet). Allerdings verstehe ich die Schaltung von J11 nicht. Soll ich P1.0 lesen? Auf welchen Spannungsbereich sind die 4-20 mA abgebildet? Ich muss das wissen, da ich dann meine MCU (ein Silabs c8051F850) entsprechend für den 10-Bit-ADC konfigurieren kann.

Bearbeiten 30.06.17: Multisim-Simulation der relevanten Schaltung (dargestellt von @jonk) unten

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Die übliche "4-20 mA"-Schaltung hat eine Stromversorgung, die sie vorspannt, aber diese hat nur einen zweipoligen Stecker (J11) gezeigt, mit GND und einem Widerstand gegen GND. Etwas fehlt.
Mir ist nicht klar, was du meinst. Das angehängte Snippet ist Teil eines vollständigen Schaltplans einer Platine. J11 ist tatsächlich mit einer 2-Leiter-„4-20-mA“-Stromquelle von einem Sensor-Subsystem verbunden (das Testen erfolgt in etwa so: amazon.com/4-20mA-Simulator-Generator-PLC-Instrumentation/dp/… ).
Ein "4-20mA"-Sensor wird über die gleichen zwei Drähte mit Strom versorgt, über die er seine Erfassungsdaten liefert. Wenn dieser Anschluss NICHT mit Strom versorgt wird, bedeutet das, dass der Schaltplan von einem Sensor und nicht von einem Controller stammt?
Nein, der Schaltplan ist von der Steuerplatine. Der 4-20mA hat eine eigene Stromquelle zur Stromerzeugung. Der Strom wird über den J11-Anschluss in unser Board eingegeben. Aber den Schaltplan verstehe ich immer noch nicht. Bitte beachten Sie meine Antwort unten auf "jonk", um meine Verwirrung zu stiften.

Antworten (1)

120E ist nur 120 Ω . Wenn Sie sich J11 ansehen, ist es das Setzen von a 120 Ω Widerstand in der Stromschleife. Das bedeutet also, bei 4 M A der Tropfen wird ungefähr sein 480 M v und bei 20 M A der Tropfen wird ungefähr sein 2.4 v . Diese Spannung wird über einen vernachlässigbar kleinen an den (+)-Eingang von U4A angelegt 10 Ω Widerstand, so dass der Operationsverstärker dann versucht, seinen Ausgang so zu ändern, dass der (-) Eingang dieser Eingangsspannung entspricht. (Es folgt der Eingabe.)

Du entscheidest, wie du mit diesen Dingen umgehen möchtest. Wenn kein Strom vorhanden ist, ist der Ausgang in der Nähe 0 v und das interessiert dich vielleicht. Wenn etwas in der Nähe ist 4 M A fahren, dann wirst du sehen 500 M v gegenwärtig. Wenn 20 M A dann in der Nähe 2.4 v . Alles in Reichweite Ihres Konverters, vermute ich. Das sollte P1.0 sehen .


SPÄTE BEARBEITUNG:

Die relevante Schaltung für Ihren 4 20 mA Teilschaltung ist die folgende (und nicht so, wie Sie es grafisch dargestellt haben):

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich habe die Kondensatoren an Ort und Stelle belassen, damit alle Details vorhanden sind und zur Überprüfung meiner Arbeit verwendet werden können. Sie können sie jedoch ignorieren, um herauszufinden, wo das Messgerät platziert werden soll.

Eine Zuleitung des Messgeräts sollte an Masse angeschlossen werden. Das bedeutet überall, wo es bequem ist. Beachten Sie, dass J11.1 mit Masse verbunden ist. Sie können also diesen Pin oder etwas direkt damit verbundenes für diesen Zweck verwenden. Sie könnten das Erdungsende verwenden R 15 , wenn das für dich einfacher war. Sie könnten den (-) Versorgungsstift des LM358 verwenden, wenn dies einfacher wäre. Wenn Sie eine Frage zu einem "bequemen" Metallstück haben, das Ihnen zur Verfügung steht, messen Sie einfach die Ohm von dieser Stelle bis J11.1. Wenn es ganz in der Nähe ist 0 Ω , dann sind die Chancen gut, dass Sie diesen bequemen Ort benutzen.

Das andere Kabel des Messgeräts sollte an der interessierenden Stelle befestigt werden. In diesem Fall möchten Sie meiner Meinung nach einen beliebigen Stift oder ein beliebiges Ende eines Geräts, das an P1.0 angeschlossen ist. Dies könnte das nicht geerdete Ende sein C 18 oder das nicht geerdete Ende von R 21 oder der Ausgangsstift des LM358 (Stift 1) oder sogar sein (-) Eingangsstift (Stift 2.) Wenn Sie Fragen haben, welches Ende welches ist, überprüfen Sie einfach erneut, indem Sie von dem Punkt aus messen, an dem Sie sich nicht sicher sind J11.1. Wenn es ganz in der Nähe ist 0 Ω , dann ist es NICHT das richtige Ende und Sie müssen das andere Ende als dasjenige betrachten, das Sie wahrscheinlich wollen.

@RamanathanR: Die Schaltung ist nicht zu kompliziert. Aber noch einfacher hätte man vielleicht einfach den Widerstand verwendet (es ist keine Floating-Input-Situation) und den Operationsverstärker übersprungen, indem man die entwickelte Spannung direkt in den Mikro-ADC-Eingang eingespeist hat (mit einem Zener und ein paar Dioden und Widerständen als Eingangsschutz). Oder einfach nur verwendet ein Optokoppler.
Danke schön. Ich habe es zum Laufen gebracht, indem ich P1.0 gelesen habe. 4-20mA über 120Ohm gibt mir 480-2400mV. Ich habe den ADC so konfiguriert, dass er zwischen 0 und 2,4 V liegt, und die untere Grenze des 10-Bit-ADC von 0 bis 1023 bis 205 bis 1023 im Code angepasst. Allerdings verstehe ich den Schaltplan immer noch nicht. Es scheint, dass Pin1 von J11 mit Masse verbunden ist und Pin2 von J11 scheint auch über 120 Ohm R15 auf Masse zu gehen. Ich sehe nicht, wie es mit dem Operationsverstärker U4A verbunden ist, dessen Ausgang das ist, was ich lese.
Es gibt eine Menge zusätzlicher Dinge , die ein bisschen verwirrend sein können. Entfernen C 9 von Ihrer Vision, zum Beispiel. Werde es einfach los. Und ignorieren Sie auch das Bodensymbol für einen Moment. Dann denke ich, dass Sie die Schleife sehen könnten , die von Pin 1 und durch die geht 120 Ω Widerstand und dann an Pin 2. Dies verbindet sich mit einem externen Ding, das versucht, zwischen 4 mA und 20 mA durch diese Schleife zu drücken. Dadurch wird am Widerstand eine Spannung angelegt. Die Erdung einer Seite ändert daran nichts. Aber dann wird die andere Seite eine darauf bezogene Spannung haben. Was dann zum Opamp-Eingang geht.
Ich sehe es jetzt. Die Schleifenschaltung von J11-Pin1 geht nach rechts, unten, links und oben über R15 zu J11-Pin2. Aber kurz vor Erreichen von J11-Pin2 wird die Spannung über R14 dem Operationsverstärker zugeführt.
Was ist also die Funktion des anderen Operationsverstärkers U4B, der an J12-Pin2 angeschlossen ist? Meine Vermutung ist, dass es die Richtung des Potentiometers umschaltet, dh wenn Pot an J12-Pins 1,3,4 angeschlossen ist, sind Sie in aufsteigender Richtung, während Sie, wenn Pot an J12-Pins 1,2,4 angeschlossen ist, in absteigender Richtung sind.
@RamanathanR: Sieht aus wie ein Anhänger, der eine Eingangsspannung ohne großen Schutz akzeptiert. Vielleicht wurde es verwendet, um das andere Signal zu kopieren, indem Pin 2 auf Pin 2 gebrückt wurde? Ich weiß es aber nicht.
Tut mir leid, dies erneut zu öffnen, aber ich würde Ihre Vorschläge zu diesem Problem schätzen. Ich habe meine Simulation durchgeführt (Schaltplan in Bearbeitungen an OP angehängt) und sehe 4-20 mA, die mir in der Simulation 507-2426 mV geben. Auf dem eigentlichen Board bekomme ich jedoch nicht die entsprechenden ADC-Werte. Bei 20 mA sollte ich ungefähr 1023 ADC sehen, aber nur ungefähr 615 ADC sehen. Der ADC bei 4mA scheint mehr oder weniger in Ordnung zu sein. Beachten Sie, dass mein ADC-Bereich [0-1023] und der VREF-Bereich [0-2400 mV] beträgt. Also scheint mein Verständnis der Schaltung falsch zu sein. Würdest du einen Blick darauf werfen?
@RamanathanR Es gibt nichts in der Schaltung, was mir sagen könnte, was du bist v R E F Ist. Sie sollten ungefähr 2,4 V bei 20 mA messen, und Sie sagen, dass Sie das ungefähr richtig messen. Genauso bei 4mA. Es ist also nichts falsch. Der Operationsverstärker folgt einfach diesem. P1.0 sollte also dieselben Spannungen sehen, und Sie sollten auch P1.0 messen können, um dies zu überprüfen. Der Rest passiert in Ihrem Mikro. Und ich habe dort keine Sicht. Wenn Sie die analogen Spannungen sehen, die Sie sehen sollten, dreht sich der Rest ausschließlich um Software und deren Verwendung der internen Register und Auswahlen, die Sie darin treffen.
Vielleicht war ich nicht klar. Die Simulation zeigt die richtigen Spannungen (vorausgesetzt, meine simulierte Schaltung oben ist richtig und ich nehme die Spannungsdifferenz an den richtigen Punkten). Auf der eigentlichen Platine selbst kann ich die Spannungen nicht messen, um die Simulation zu validieren. Aber angesichts meines konfigurierten VREF- und ADC-Bereichs erwarte ich einen bestimmten Wert, der um fast 50% abweicht (am oberen Ende von mA). Ich erhalte nicht die richtigen Spannungen und damit die richtigen ADC-Werte am oberen Ende des mA.....Forts
.....: Ich habe meine MCU mit verschiedenen VREF-Bereichen getestet (z. B. [0-2400 mV] und [0-3300 mV] und in allen Fällen bekomme ich nicht die richtigen ADC-Werte (wieder am oberen Ende von mA Während ich nach möglichen Fehlern in meinem Code suche (bin mir fast sicher, dass es keine Probleme bei der Konfiguration der MCU gibt :-), wollte ich nur, dass ein Experte bestätigt, dass mein Verständnis der relevanten Schaltung korrekt ist.
@RamanathanR Ich bin noch nie auf eine Platine gestoßen, auf der ich keine Sonde beispielsweise auf Pin 14 stecken und eine Spannungsmessung durchführen konnte. Wollen Sie damit sagen, dass es unmöglich ist, P1.0 direkt mit einem Messgerät zu messen?
Fast ... aber das versuche ich zu tun. Es ist alles SMT, die MCU ist in einem QSOP24-Pin-Gehäuse, alle Pins sind nicht ausgebrochen und ich habe nur eine Platine :-) Daher bin ich äußerst vorsichtig bei dem Versuch, die Schaltung an verschiedenen Punkten auf der Leiterplatte zu prüfen.
@RamanathanR Ich denke, Sie müssen tatsächlich eine Messung von diesem Pin erhalten: SMT oder auf andere Weise. Sei bloß vorsichtig. Ich musste mit schlimmeren arbeiten (versuchen Sie es mal mit BGA). Es gibt winzige "Grabber-Clips", die billig sind und unter vielen Umständen gut funktionieren. Aber wenn Sie sie nicht haben, richten Sie Ihr Erdungskabel einfach an einem sicheren Ort ein und halten Sie das + Kabel nur mit einer Nadelspitze an den Stift, wenn Sie bequem und stabil sind und das Ergebnis ablesen können.
Eine Frage. Wie Sie an meiner Simulationsschaltung sehen können, nehme ich den Spannungsabfall zwischen P1.0 (von R3 kommend) und der anderen Seite des R1-Widerstands. Ist das korrekt?
@RamanathanR Ich sehe nicht R 1 . Aber ich sehe R 21 . Wenn du meinst R 21 , dann sicher. Messen Sie die Spannung an diesem Widerstand. (Aber Sie sollten in der Lage sein, das Erdungskabel des Messgeräts an einem günstigeren Punkt zu platzieren.)
Ich sprach von der 2. Simulationsschaltung. „XMM1“ ist das Multimeter, das an den entsprechenden Punkten angeschlossen wird. Die Widerstandszuordnung zwischen den beiden Diagrammen ist wie folgt; R15=R1, R14=R2, R21=R3.
@RamanathanR Das ist ein seltsamer Ort für ein Multimeter und außerdem ist Ihre Schaltung NICHT repräsentativ für den ursprünglichen Schaltungsabschnitt. Zum Beispiel, wenn es repräsentativ wäre, dann Ihre R 1 würde ein Ende mit Masse verbunden haben (und das tut es nicht.)
@RamanathanR Ich habe für Sie ein neues Schema der Teilschaltung erstellt und besprochen, wie die entsprechende Messung durchgeführt wird. Wenn diese Messung ungefähr wie erwartet ausfällt, liegt Ihr Problem in Ihrer Software oder in Ihrem Verständnis dessen, was Ihr Mikrocontroller Ihnen sagt.
Das ist toll! Vielen Dank und ich schätze Ihre Hilfe wirklich sehr. Werde es auf jeden Fall ausprobieren und berichten.
Entschuldigung, dass ich nicht früher zurückgekommen bin. Die endgültige Auflösung war, dass der tatsächliche Wert von R15 auf der physischen Platine 100 Ohm und NICHT 120 Ohm betrug, wie in meinem ursprünglichen Schaltplan gezeigt. Das Ändern des Codes hat mein Problem entsprechend gelöst. Die hier gelernte Lektion ist nicht, schematische Werte als Evangelium anzunehmen, sondern immer mit der physischen Platine zu überprüfen, insbesondere bei Prototypen :-)