¿Cómo lee este circuito la entrada de bucle de corriente de 4-20 mA a través de los amplificadores operacionales?

Soy un tipo de software que trabaja en la codificación de un sistema de control en una placa cuyos diseñadores de hardware se han ido. Si bien tengo todo lo demás funcionando, hay una pieza (una entrada de bucle de corriente de 4-20 mA) que no tengo lo suficientemente claro como para comenzar a codificar. Adjunto la imagen.

Subsistema de Entradas

J12 (el pin 2 no se usa) es la entrada del potenciómetro. Tengo esto funcionando leyendo P1.3 en mi código (0-3 V asignado a un rango de 0-1023 a través de ADC de 10 bits). Sin embargo, no entiendo el circuito de J11. ¿Se supone que debo leer P1.0? ¿Cuál es el rango de voltaje al que se asignan los 4-20 mA? Necesito saber esto ya que puedo configurar mi MCU (un Silabs c8051F850) apropiadamente para el ADC de 10 bits.

Editar 30/6/17: simulación Multisim del circuito relevante (señalado por @jonk) a continuación

ingrese la descripción de la imagen aquí

El circuito habitual "4-20 mA" tiene una fuente de alimentación que lo polariza, pero este solo tiene un conector de dos pines (J11), con GND y una resistencia a GND. Algo falta.
No tengo claro lo que quieres decir. El fragmento adjunto es parte de un esquema completo de un tablero. J11 en realidad está conectado a una fuente de corriente de 2 conductores "4-20mA" de algún subsistema de sensor (las pruebas se realizan con algo como esto: amazon.com/4-20mA-Simulator-Generator-PLC-Instrumentation/dp/… ).
Un sensor de "4-20 mA" se alimenta a través de los mismos dos cables a través de los cuales entrega sus datos de detección. Si este conector NO está alimentado, ¿significa que el esquema es de un sensor y no de un controlador?
No, el esquema es de la placa de control. El 4-20mA tiene su propia fuente de energía para generar corriente. La corriente se introduce en nuestra placa mediante el conector J11. Pero sigo sin entender el esquema. Consulte mi respuesta a continuación a "jonk" para conocer mi fuente de confusión.

Respuestas (1)

120E es solo 120 Ω . Si miras a J11, está poniendo un 120 Ω resistencia en el bucle de corriente. Así que esto significa, en 4 metro A la caída será de aproximadamente 480 metro V y en 20 metro A la caída será de aproximadamente 2.4 V . Este voltaje se aplica a la entrada (+) de U4A a través de un pequeño insignificante 10 Ω resistencia, por lo que el opamp luego intenta cambiar su salida para que la entrada (-) sea igual a ese voltaje de entrada. ( Sigue la entrada.)

Tienes la oportunidad de decidir cómo quieres manejar estas cosas. Si no hay corriente, entonces la salida estará cerca de 0 V y puede que te importe eso. Si hay algo cerca de 4 metro A conducir, entonces verá sobre 500 metro V presente. Si 20 metro A entonces cerca de 2.4 V . Todo dentro del alcance de su convertidor, sospecho. Eso es lo que debería ver P1.0 .

EDICIÓN TARDÍA:

El circuito relevante para su 4 − 20 mamá El subcircuito es el siguiente (y no como lo diagramaste):

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Mantuve los condensadores en su lugar para que todos los detalles estén presentes y puedan usarse para verificar mi trabajo. Pero puede ignorarlos con el fin de averiguar dónde colocar el medidor.

Un cable del medidor debe estar conectado a tierra. Esto significa en cualquier lugar que sea conveniente. Tenga en cuenta que J11.1 está conectado a tierra. Entonces, podría usar ese pin o cualquier cosa directamente conectada a él para este propósito. Podrías usar el extremo de tierra de R 15 , si eso fuera más fácil para ti. Podría usar el pin de suministro (-) del LM358 si fuera más fácil. Si tiene alguna pregunta sobre alguna pieza de metal "conveniente" disponible para usted, simplemente mida los ohmios desde ese punto hasta J11.1. si esta muy cerca 0 Ω , entonces lo más probable es que estés de acuerdo en usar ese lugar conveniente.

El otro cable del medidor debe conectarse al lugar de interés. En este caso, creo que desea cualquier pin o extremo de un dispositivo que esté conectado a P1.0. Este podría ser el extremo no molido de C 18 o el extremo no molido de R 21 o el pin de salida del LM358 (pin 1) o incluso su pin de entrada (-) (pin 2). Si tiene alguna pregunta sobre qué extremo es cuál, vuelva a verificar midiendo desde el punto que no está seguro. J11.1. si esta muy cerca 0 Ω , entonces NO es el extremo correcto y debe considerar el otro extremo como el que probablemente desee.

@RamanathanR: El circuito no es demasiado complicado. Pero aún más simple podría haber usado la resistencia (no es una situación de entrada flotante) y omitido el opamp, alimentando el voltaje desarrollado directamente a su entrada micro ADC (con un zener y algunos diodos y resistencias como protección de entrada). O simplemente usado un optoaislador.
Gracias. Lo hice funcionar leyendo P1.0. 4-20mA sobre 120ohms me da 480-2400mv. Configuré el ADC para que oscilara entre 0 y 2,4 v y ajusté el límite inferior del ADC de 10 bits de 0 a 1023 a 205 a 1023 en el código. Sin embargo, todavía no entiendo el esquema. Parece que el pin 1 de J11 está conectado a tierra y el pin 2 de J11 también parece ir a tierra a más de 120 ohmios R15. No veo cómo se conecta al amplificador operacional U4A cuya salida es lo que estoy leyendo.
Hay muchas cosas adicionales allí que pueden ser un poco confusas. Eliminar C 9 de su visión, por ejemplo. Solo deshazte de eso. E ignore también el símbolo del suelo por un momento. Entonces creo que podría ver el bucle que va desde el pin 1 y a través del 120 Ω resistencia y luego al pin 2. Esto se conecta a una cosa externa que está tratando de empujar entre 4 mA y 20 mA a través de ese bucle. Hacerlo hace que la resistencia posea un voltaje a través de ella. Poner a tierra un lado no cambia ese hecho. Pero entonces el otro lado tendrá un voltaje referido a eso. Que luego va a la entrada opamp.
Ya lo veo. El circuito de bucle de J11-pin1 va a la derecha, abajo, izquierda y arriba sobre R15 a J11-pin2. Pero justo antes de llegar a J11-pin2, el voltaje se alimenta al amplificador operacional sobre R14.
Entonces, ¿cuál es la función del otro amplificador operacional U4B conectado a J12-pin2? Supongo que cambia la dirección del potenciómetro, es decir, cuando el potenciómetro está conectado a los pines J12 1,3,4, estás en dirección ascendente, mientras que cuando el potenciómetro está conectado a los pines J12 1,2,4, estás en dirección descendente.
@RamanathanR: parece un seguidor que acepta un voltaje de entrada sin mucha protección. ¿Quizás se usó para copiar la otra señal, puenteando el pin 2 al pin 2? Aunque no lo sé.
Lamento reabrir esto, pero agradecería sus sugerencias sobre este problema. Hice mi simulación (diagrama de circuito adjunto en ediciones a OP) y veo 4-20mA dándome 507-2426mV en la simulación. Sin embargo, en el tablero real no obtengo los valores ADC correspondientes. A 20 mA, debería ver alrededor de 1023 ADC, pero solo alrededor de 615 ADC. El ADC a 4mA parece estar más o menos bien. Tenga en cuenta que mi rango ADC es [0-1023] y el rango VREF es [0-2400mV]. Entonces parece que mi comprensión del circuito es incorrecta. ¿Te importaría echar un vistazo?
@RamanathanR No hay nada en el circuito que me diga cuál es su V R mi F es. Debería estar midiendo alrededor de 2.4 V a 20 mA y dice que está midiendo eso correctamente. Lo mismo con 4mA. Así que no hay nada malo. El opamp solo sigue esto. Entonces, P1.0 debería ver esos mismos voltajes y también debería poder medir P1.0 para verificar eso. El resto está ocurriendo dentro de tu micro. Y no tengo visibilidad allí. Si está viendo los voltajes analógicos que debería ver, el resto se trata completamente del software y su uso de los registros internos y las selecciones que realiza en su interior.
Tal vez no fui claro. La simulación muestra los voltajes correctos (asumiendo que mi circuito simulado anterior es correcto y estoy tomando la diferencia de voltaje en los puntos correctos). En la placa real, no puedo medir los voltajes para validar la simulación. Pero dado mi rango configurado de VREF y ADC, espero un cierto valor que es el que está apagado en casi un 50% (en el extremo superior de mA). No obtengo los voltajes correctos y, por lo tanto, los valores correctos de ADC en el extremo superior de mA... Continuación
.....: He probado mi MCU con diferentes rangos de VREF (por ejemplo, [0-2400mV] y [0-3300mV] y en todos los casos no obtengo los valores correctos de ADC (nuevamente en el extremo superior de mA Mientras busco posibles errores en mi código (estoy casi seguro de que no hay problemas al configurar la MCU :-), solo quería que un experto validara que mi comprensión del circuito relevante es correcta.
@RamanathanR Nunca me encontré con una placa en la que no pudiera colocar una sonda en, digamos, el pin 14 y realizar una medición de voltaje. ¿Está diciendo que es imposible medir P1.0 directamente con un medidor?
Casi... pero eso es lo que estoy tratando de hacer. Todo es SMT, la MCU está en un paquete de pines QSOP24, todos los pines no están rotos y solo tengo una placa :-) Por lo tanto, estoy siendo extremadamente cuidadoso al intentar sondear el circuito en varios puntos de la PCB.
@RamanathanR Creo que realmente necesita obtener una medida de ese pin: SMT o de otra manera. Sólo sé cuidadoso. He tenido que trabajar con cosas peores (prueba con BGA alguna vez). Hay pequeños "clips de captura" que son baratos y funcionan bien en muchas circunstancias. Pero si no los tiene, simplemente coloque el cable de conexión a tierra en un lugar seguro y sostenga el cable +, con la punta de una aguja, en el pasador solo cuando se sienta cómodo y estable y pueda leer el resultado.
Una pregunta. Como puede ver en mi circuito de simulación, estoy tomando la caída de voltaje entre P1.0 (que sale de R3) y el otro lado de la resistencia R1. ¿Es eso correcto?
@RamanathanR No veo R 1 . pero veo R 21 . Si te refieres a R 21 , entonces seguro. Mida el voltaje a través de esa resistencia. (Pero debería poder colocar el cable de tierra del medidor en un punto más conveniente).
Estaba hablando del segundo circuito de simulación. "XMM1" es el multímetro que está conectado a los puntos apropiados. El mapeo de resistencias entre los dos diagramas es el siguiente; R15=R1, R14=R2, R21=R3.
@RamanathanR Esa es una ubicación extraña para un multímetro y, además, su circuito NO es representativo de la sección del circuito original. Por ejemplo, si fuera representativo entonces su R 1 tendría un extremo atado a tierra (y no lo tiene).
@RamanathanR Creé un nuevo esquema del subcircuito para usted y discutí cómo tomar la medida relevante. Si esta medida resulta ser aproximadamente la esperada, entonces su problema está en su software o en su comprensión de lo que le dice su microcontrolador.
¡Esto es genial! Gracias y realmente aprecio toda su ayuda. Sin duda lo probaré y te cuento.
Disculpas por no volver antes. La resolución final fue que el valor real de R15 en la placa física era de 100 ohmios y NO de 120 ohmios como se muestra en mi esquema original. Modificar el código de manera adecuada resolvió mi problema. La lección aprendida aquí es no asumir valores esquemáticos como evangelio, sino verificar siempre dos veces con el tablero físico, particularmente para prototipos :-)
¿Cómo lee este circuito la entrada de bucle de corriente de 4-20 mA a través de los amplificadores operacionales?
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