变送器是自动控制系统的一个重要组成部分，在仪器仪表和工业自动化领域中起着举足轻重的作用，变送器对温度、压力、液位、成分等物理量进行测量，并转换成统一的标准信号，因为使用电流做传输信号有着非常高的抗干扰性（主要对50/60HZ的工频干扰），所以一般在工业中常用的信号是电流4~20mA，其映射的是传感器物理量的整个量程。

1.最普遍的转换方案

    那么在仪器仪表设计中，我们需要将4~20mA的电信号转化为微控制芯片能进行ADC转换的电压信号，然后才能得到我们需要的物理量进而进行数字运算处理，而常见的采集电信号为0~5V。一般来说许多项目对精度没有较高的分辨率要求或为了节省成本等问题，他们常用的是以下转换电路：

图1.1简单采集电路

    这里我们可以计算一下，在最宽转换范围下即20mA转换为5V,可以计算得出采样电阻为：

                                                      R=U_max/I_max=250Ω                                    （1.1）

    则在4mA下的电压为：

                                                        U_min=I_min*R=1V                                        （1.2）

    所以我们的有效采集电压为1~5V，映射的即为传感器的整体量程。整体电路很简单，但是同时很明显其劣势是分辨率利用率只有80%，为解决对分辨率的要求问题，我们可以使用更高位数的ADC芯片，或将电压转换重新映射到0~5V。但若想提高ADC有效位数面临的问题是价格可能会比较高昂，所以这里介绍了另一种比较简单的方案：将4~20mA转换为0~5V。

2.方案基础

    整体的方案思路是先将4~20mA的电流用采样电阻转换为某个正电压范围，然后使用运放减法器将最低电流4mA产生的偏置电压消除，得到0~5V的采样信号。

    2.1减法器公式推导

图2.1减法器电路

首先令

                                                            R₁ = R₂ = R₅                                            (2.1)

                                                            R₃ = R₄ = R₆                                    (2.2)

由运放的虚短得到

                                                V` = V`` = V₂ · (R₆/R₅+R₆)                         (2.3)

由运放的虚断得到

                                                  (V₁-V`)/R<sub>5</sub>=(V`-V_o)/R₆                                   (2.4)

                                                    (V₂-V``)/R<sub>5</sub>=V``/R₆                                        (2.5)

五个式子联立得到

                                                    V_o=(V₂-V₁)·(R₆/R₅)                               (2.6)

2.2参考电压源

    一般而言参考电压源可以选择现成芯片，一般常见的电压有1.2V、2.5V、4.096V等等。

3.整体电路

图2.2整体电路

    整体电路即为一个参考电压芯片输出和一个采集电路跟随输出接到减法器中。

3.1参数选择：

首先我们要将4mA产生的偏置电压用参考电压源进行去除，所以采样电阻使用的大小为

                                                          R₇ = V_ref / I_min = 625Ω                        （3.1）

然后在20mA时产生的电压为

                                                         V_max = I_max · R₇ = 12.5V                        (3.2)

此时我们可以知道在4mA时V_o的电压为0V，而20mA的电压为：

                                         V_omax = (V_2max-V_ref)·(R₆/R₅)  = 10·(R₆/R₅)         (3.3)

所以此时只要令R₆/R₅=0.5即可，譬如R₆=10k  R₅=20k，此时4~20mA的转换电压即为0~5V，这样即可完成大范围的映射，输出电压给ADC的分辨率可以达到100%。

4.补充

1. 其实TI公司有一个芯片是RCV420，可以直接用芯片以及外部电路搭建实现0~5V的映射，但是现在价格达到了60块钱一片，成本过于高昂。
   

2. 这个方案在提高了分辨率的同时会降低一定程度的精度，重点是需要在运放电路中使用精度较高的电阻，否则可能产生一定精度偏差（主要来源于热阻影响减法器倍数），但这些偏差可以在软件上做校准操作。

3. 考虑到精度问题，还要考虑使用失调电压较低的运放芯片。

4. 未计算在电阻误差最恶劣的情况下产生的误差，大家感兴趣的可以思考一下这个问题，目测即使是最恶劣的情况下对倍数影响不会有明显改变。

    写这个帖子一方面是因为准备尝试运用这个方案到项目中，另一方面是为了练一下写文章的习惯。总体而言这个方案没有理论可行，在仿真软件中也有不错的效果（未展示），虽然精度会不及RCV420或者更复杂的转换电路，但是权衡精度与复杂程度而言，这个方案存在参考价值。毕竟在电路设计中省下来的一块钱在量产一万台的情况下能省下一万块嘛

文中公式由个人推导，若存在错误请大佬们指出！！