基于LMC6484A和LM4040A20的传感器电压调制电路实现

        在工业级应用中，我们需要处理各种各样的传感器信号，比如压力传感器，温湿度传感器、水位传感器、霍尔传感器和温度变送器等等。这些传感器目前常用的输出信号有4-20mA电流型，0-10V的电压输出。前者在处理时，需要额外增加芯片转换成电压，为电路增加一些成本，在非远距离传输中，后者则更有优势。在面对0-10V的电压信号采集时，是不能直接通过MCU进行采集处理的，因为目前常用的MCU供电一般是3.3V，最大支持的电压不能超过3.3V，这样的话就得用额外的电压调制电路实现，其中比较简单的实现方法就是利用运放芯片来实现，通过运放芯片将0-10V的电压转换为0-3.3V的电压，然后进入MCU的ADC进行采集并处理。下面是一个示意图：

在实现电压调整电路时，要考虑选择正确的运放芯片和外部参考源（一般这样的情况下，不建议使用MCU内部自带参考）。选择芯片时，要做综合考虑，成本是一个重要因素，TI有很多优秀的芯片，但价格高。经过半天时间，终于确定了芯片型号，这就是LMC6484A和LM4040A20这个2.048V的精密参考源。芯片详细介绍可以上官网上具体查看。

http://www.ti.com.cn/product/cn/lmc6484

http://www.ti.com.cn/product/cn/lm4040a20

LMC6484A是一款轨到轨的运放，SOIC14封装，可以双电源也可以单电源，在设计时，采用了3.3V单电源供电方式。LM4040A20是个微功耗并联电压参考，采用SOT-23封装，使用时仅在电源端串联一个限流电阻即可。下面是此电路调整部分的原理图：

这个是电源电路和参考源电路，注意要串接精密电阻，这里采用16K%1精度。

这个是运放电路：

此电路的电压计算公式如下：

设输入电压为Vin,输出电压为Vout,参考源电压为Vref,则公式为：

              Vout= 1.2*Vref – 0.2*Vin,

在这里，我们用的Vref=2.048V,则

Vout= 1.2*2.048-0.2*Vin= 2.4576 -0.2*Vin.

       也就是，当Vin=0V时，Vout=2.4576V,当Vin=10V时，Vout=0.4576V,这样，利用此电路，就实现了0-10V的传感器电压信号到0-3.3V范围内的电压转换，剩下的交给MCU的ADC处理就行了。

       在设计电路板之前，采用了TINA仿真软件对电路进行了仿真，效果不错，下面是仿真截图：

      仿真结果跟理想计算公式得出的数据时一致的。在确认无任何问题后，我们设计了控制电路板，下面是对板载电压调整电路部分测试的图片。经过数据分析，理论设计与实际设计符合。

     图中采用了两片LMC6484A运放U13/U14,U16为电压参考源,整个阻容元件都采用了1%精度的贴片元件。上电后，测试电压参考源：

     Vref=2.0463V,计算一下精度：0.08%，手册上说是1%的精度，看来实际性能还要好，那个是保守的精度值，TI产品的确很给力！在确定好了参考源电压后，我们计算理论值就应该按照Verf=2.0463来算，就不是原来的2.048V，这样，电压计算公式变为：

    Vout= 1.2*2.0463-0.2*Vin= 2.45556 -0.2*Vin.

    利用信号源输出0-10V的电压对电路进行测试，下图，当Vin=0V时，输出Vout=2.4544V。理论值：V=2.45556V

    当Vin=3.62V时，Vout=1.7311V,理论值V=1.73156V。  

    当Vin=10.07V时，Vout=0.4451V,理论值V=0.44156V。

    为了进行全面数据分析，将不同的电压进行输入，将采集到的数据值存在Excel表格中进行分析，见图：    

   由此可见，最大误差基本控制在0.005V之内，是符合要求的。附件是此EXCEL表格。

除了高精度的器件和基准来实现精确的测量, 往往很多时候还会采用校准的办法达到高的精度等级

右面的万用表好高档的说，从前期的实际到后期的实际测试，学习了