最近有群友分享了一个简单的、用于将PT100温度信号转换为4~20mA环路的变送器电路板。据说这类电路板成本仅15元左右，可以直接安装在赫斯曼接头内构成完整产品。这让我第一次将实物与“赫斯曼接头”这个学名对应上。
本次要分析的电路PCBA正面图如下。可以看到板上有基准源、LDO、运算放大器、三极管，以及一个丝印被磨掉的单片机。左侧两个接线端子是环路电源输入，右侧三个焊点则用于连接三线制的PT100传感器。
电路板背面没有元器件，但在三极管下方的铜皮做了开窗处理，这显然是为了给这颗可能承受较大功耗的三极管散热。
接下来，我们深入分析其电路原理。首先看电源输入接口部分，其核心是由HT7533构成的一个恒流源，用于将输入电压“降压”。你可以将HT7533理解为一个工作在线性放大区的三极管，或者一个受控的滑动变阻器——它负责“吃掉”多余的电压，再配合基准源ME431将输出电压钳位在2.5V。这个2.5V的基准电压，正是为后级的单片机和运算放大器供电。
利用HT7533构建恒流源是一种常规用法，在其数据手册中也能找到典型应用电路和计算公式。
根据原理图中的参数，恒流值约为 3.3V / 845Ω ≈ 3.9mA。这个数值至关重要，因为它确保了后级电路（单片机及测量电桥）消耗的总静态电流不超过4mA。对于一款4~20mA环路变送器，必须保证静态工作点低于4mA，否则将影响正常的温度-电流线性输出。
值得一提的是，HT7533在此承担了较大的压降，会产生一定功耗。假设输入电压为24V，其在HT7533上的功耗大约为：(24V - 2.5V - 3.3V) * 0.0039A ≈ 0.071W。
接下来是PT100的测量电桥部分。这是一个经典的三线制PT100应用电路，ADC_P和ADC_N输出给单片机的ADC进行采集。
可以看到，R3和R1的阻值较大，这使得激励电流非常小，约为 2.5V / 15kΩ ≈ 167uA。个人认为，在不超过PT100允许的激励电流、避免自热误差的前提下，这个电流可以适当加大，即相应减小R3和R1的阻值。下图是某PT100传感器手册中对激励电流的要求：
该惠斯通电桥的接线示意图如下。图中R17, R19, R18与外置的PT100组成电桥，ADC通过采集电桥输出的电压差，即可计算出PT100的阻值，进而推算出温度。在假设Rwire1等于Rwire2的情况下，可以抵消线阻带来的大部分PT100采集误差（虽然无法完全平衡，因为PT100自身阻值会变化）。Vp和Vn的计算公式如下：
ADC_P = Vrp + Vrwire1 + Vrwire3
ADC_N = Vr2 + Vrwire2 + Vrwire3
由于单片机最终采集的是ADC_P与ADC_N的电压差，若Rwire1和Rwire2的线阻相等，那么线阻引入的误差便能在差分运算中被自然抵消。
最后是关键的可调恒流源电路。这是一个非常经典的“灌电流”（sink）型电流源。由单片机（2.5V供电）输出的PWM信号，经过二阶RC滤波后得到一个模拟电压，其值为2.5V D（D为PWM占空比）。由于运放负反馈的作用，Vn = Vp = 2.5 D，因此该恒流源的输出电流为 2.5 * D / 100Ω。
我们已知前端HT7533提供的恒流为3.9mA。假设PT100的量程对应-40~40℃，当环境温度为0℃时，环路需要输出半量程电流，即12mA。那么，只需让单片机控制这个可调恒流源输出额外的电流即可，即：12mA - 3.9mA = 8.1mA。
为了便于理解，电流路径可以用以下示意图表示：
至此，整个电路的核心原理已分析完毕。至于那个丝印被磨掉的QFN16封装单片机，我猜测可能是某款集成16位ADC的型号，例如芯海的CSU18M68（但该芯片工作电压可能不支持2.5V，故不确定）。具体型号并非关键，因为单片机在这里只是实现算法的载体，我们理解了系统原理更为重要。
除了上述基于惠斯通电桥的PT100测量方法，还有更简化的方案，即使用专用的PT100/PT1000采集芯片，例如之前介绍过的MAX31865。这类芯片直接输出数字信号通过SPI等接口与单片机通信，电路更为简洁。
不过，MAX31865的价格相对较高，约14元，且属于ADI（美信）的物料，对于有国产化要求的项目可能不适用。
当然，国产替代方案不会缺席。最近有群友推荐了一款非常不错的国产PT100芯片——中科银河芯的GXC400。它可以Pin-to-Pin替代MAX31865，价格极具竞争力，仅在5元以内（有国产化需求的朋友可以关注）。下图为两款芯片的引脚对比：
希望这份对低成本三线制PT100变送器电路的分析，能为你带来一些设计灵感。在云栈社区，我们持续分享各类实用的硬件设计与嵌入式开发技巧，欢迎交流讨论。
发表于 4 小时前
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