这个电路是从Howland电流源电路基本拓扑结构改进而来的，采用Q1-2N7002代替运放作为功率输出，这个电路对R1～R4和RF的电阻值大小有如下要求：R1=R2=R3=R4=100 kΩ；且R1≥RF，在这种情况下可以忽略R1～R4臂上流过的电流。通过虚短和虚断对电路分析得到：
，RF=100 Ω。在此基础上增加的改进有两点，在电路中加入了CF和RP：其中CF用来改进电流输出的频率响应特性；RP用来平衡运放本身的电压偏置和电流偏置，RP大小随着每一块运放芯片的电压、电流偏置值的不同需要单独调整。
3．3 ADuC7061核心电路
如图4所示，作为测量和控制的核心，ADuC7061核心电路包括以下3部分：ADuC7061核心单元；外部看门狗ADM6320；隔离的SPI驱动ADuM 7441。从图1和图4可以看出，输入信号调理电路作为片内ADC的前级驱动，输出电压信号直接与芯片内部的两个独立ADC相连。ADuC7061采用内部的PLL使ARM内核工作在10 MHz的频率下。复位引脚与外部看门狗ADM6320相连，通过P2．0的定时喂狗提高系统运行的可靠性，并使系统可靠上电复位。系统通过片内SPI硬件控制器与外部通信，系统工作在从模式下，SPI时钟频率最高支持到5 M。外部通过IO控制外部模拟开关完成自动校准。
4 系统软件设计
由于系统有一个ARM7TDMI的主控ADuC7061，因此该系统可以实现比较复杂测量功能和实现适应温度变化的自动校准策略。系统软件分为两个部分，测量任务和定时中断任务，任务的流程图如图5所示。
系统上电启动之后，配置完系统外设，然后对两路模拟输入通道完成自动校准，并将校准使用到的变量保存到非易失性存储器中。然后进入自动测量主循环中，由于有ARM7主控，外部可以通过SPI灵活的配置每个ADC通道的参数。在本系统中，可以通过SPI控制通道采样率，以提高∑-△型ADC的有效位数，进一步提高系统精度。系统的在定时器中断时问设定为1 s，每秒钟通过ADuC7061内部集成的温度传感器测量当前温度，当检测到累计温度变化超过阈值时，通知设置校准标志位，让系统在下一次测量前自动完成一次通道校准，实现对温度的补偿。
5 测量结果以及误差分析
为了保证系统的精度，电路采用4层PCB实现，并提供大面积的模拟地平面以降低噪声干扰。对该系统的测试包括两部分，首先是测试输入电压测量精度，其次是电流输出精度。由于输入电压信号为DC～500 Hz信号，而且ADuC7061中的∑-△型ADC的有效位数随着采样频率的降低而增加。所以为了测量系统的绝对误差，将采样率设置为1 k，输入信号为-10～+10 V间隔1 V的直流电平，在零点附近增加了±0．5 V和±50 mV的电压输入，被测电压基准通过FLUKE5700A给出，将结果通过SPI输出到电脑中记录结果，进行误差分析，误差测试结果如图6所示。
可以看出系统自动校准后，精度可以达到0．05％，达到了设计的预期。从图6中可以看出，在输入小电压范围内，系统的主要误差来源是系统噪声，这个噪声直接决定小信号输入下的系统精度。
4～20 mA电流输出误差测量中，负载电阻250 Ω，并联负载电容10 nF。电流测量仪器使用的是普源DM3058，输出电流设定值通过SPI发送给系统，输出电流误差结果如图7所示。
从图7可以看出，系统电流输出误差最大为0．2％。系统的误差都是正值，说明误差是V-I变换电路中两个臂上流经的电流造成的，因为两个臂上流经的电流值是输出电流的千分之一，与误差在同一个数量级上，虽然系统已经达到了设计的目标，但是考虑到进一步提高系统精度，这个误差可以通过软件校准的方式，使用最小二乘法建立系统输入输出函数关系，可以进一步提高精度。
6 结论
本系统以ADuC7061为控制核心，采用改进的模拟调理电路，配合自动校准策略，完成高精度的电压采集功能。通过采用改进的Howland电流源电路完成4～20mA电流输出功能。配合外部的4线SPI完成系统对外通信，作为一个带有SPI接口的PLC模拟前端，起到模拟信号采集和电流输出的功能。该系统模拟测量精度高，软件灵活，接口通用，具有很高的实用价值，不仅可以作为PLC的模拟前端，也为其他模拟前端设计提出了很有价值的参考。
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