深度揭秘——4-20mA電流環(huán)設(shè)計(jì)

　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有許多過程控制系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的流量控制到復(fù)雜的電網(wǎng)，從環(huán)境控制系統(tǒng)到煉鋼廠過程控制，這些控制系統(tǒng)由很多模塊組成如中央處理單元，輸入模塊，模擬量輸出，數(shù)字量輸出，電源等等。不同模塊之間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在眾多現(xiàn)代通信方式中，還有一類相對(duì)古老的通信方式顯得比較特殊，這就是4~20mA電流環(huán)。

　　4~20mA電流環(huán)(current loop)是一種模擬通信方式，與各種現(xiàn)代數(shù)字通信方式相比，它不需要復(fù)雜的編碼、解碼工作，通信方式簡(jiǎn)單;由于電流環(huán)與生俱來的抗干擾能力，在噪聲環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)具有很高的可靠性;同時(shí)，4~20mA電流環(huán)通信又有比較可靠的故障診斷功能。所以，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，這種通信和控制方式還會(huì)繼續(xù)使用很多年。

　　功能

　　4~20mA電流環(huán)的零電平信號(hào)采用4mA大小的電流表示，滿量程采用20mA電流表示，因此得名“4mA-20mA電流環(huán)(current loop)”。4mA以下的電流輸出用來進(jìn)行故障診斷功能，20mA以上電流被認(rèn)為是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示。

　　下圖是一個(gè)典型的工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，CPU通過輸入模塊接收采用4~20mA電流環(huán)通信的傳感器信號(hào)，經(jīng)過一定的計(jì)算后，控制輸出模塊對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

　　在這里，氣體傳感器和CPU之間的通信采用4~20mA電流環(huán)來實(shí)現(xiàn)，這部分的實(shí)現(xiàn)如下圖所示。整個(gè)通信環(huán)路有氣體傳感器、發(fā)送器、接收器、雙絞線、電源等幾部分構(gòu)成。

　　接收器可以是任何能夠檢測(cè)流過檢流電阻兩端電壓的器件，器件的輸出即可以是模擬的也可以是數(shù)字的。圖中的檢流電阻一般阻值在100~500 之間，通常認(rèn)為在這里250 為“標(biāo)準(zhǔn)”的電阻阻值，125 也是一個(gè)比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決于接收器的需要和電路設(shè)計(jì)，而非唯一的。

　　發(fā)送器用來將傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為4~20mA電流信號(hào)。它的電路實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，即可以是由分立器件搭建的電流環(huán)也可以是專用集成電流環(huán)芯片，只要能夠?qū)崿F(xiàn)電流環(huán)的輸出電流大小正比于傳感器輸出信號(hào)即可。當(dāng)傳感器輸出信號(hào)為零或者傳感器輸出信號(hào)處于輸出范圍下限，發(fā)送器輸出電流為4mA;當(dāng)傳感器輸出信號(hào)位于輸出范圍上限，則發(fā)送器輸出電流為20mA。

　　需要注意的是，雖然4~20mA電流環(huán)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單是、可靠性高的特點(diǎn)在各種不同場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，但在需要高速通信的場(chǎng)合，一般認(rèn)為4~20mA不適合。電流源的高阻特性、

　　傳輸電纜的寄生參數(shù)等因素限制了整個(gè)環(huán)路的頻率響應(yīng)。

　　電路實(shí)現(xiàn)

　　前面已經(jīng)提到，4~20mA電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實(shí)現(xiàn)。

　　下圖為最簡(jiǎn)單的電壓控制電流源實(shí)現(xiàn)形式，由運(yùn)算放大器U1A，擴(kuò)流MOSFET Q1，檢流電阻R6構(gòu)成一個(gè)典型的電流反饋電路結(jié)構(gòu)，由電阻R6和運(yùn)算放大器正向輸入電壓決定了電路輸出電流的大小，即Io=Vi+/R6。

　　電路中的其他器件為起輔助作用，用于提高電路性能。如穩(wěn)壓二極管將12V輸入電壓再進(jìn)一步進(jìn)行降壓穩(wěn)壓，電阻R2，R3用于限制VR1兩端電壓。D1給運(yùn)算放大器提供一個(gè)負(fù)壓，保證其最低輸出可以下降到0V。D3、C2用來保護(hù)MOSFET，同時(shí)C2還可以防止MOSFET發(fā)生振蕩。

　　細(xì)心的朋友可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上面的電路存在一個(gè)問題，發(fā)送器的電流輸出在高端，即發(fā)送器和接收器是不共地的。這在某些場(chǎng)合會(huì)存在問題。下圖的電路通過增加一級(jí)電流轉(zhuǎn)換電路，將電流源輸出改為低端輸出。

　　除了上述兩種由分立器件構(gòu)成的電壓控制電流源電路外，目前各大IC廠商也都推出了自己的4~20mA集成解決方案。如ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列等。

　　如下圖為AD5410/5420系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其實(shí)現(xiàn)原理與分立器件構(gòu)成的電路相似，但由于單芯片集成了DAC、壓控制電流源電路，為設(shè)計(jì)都提供了4~20mA電流環(huán)單芯片解決方便，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高電路的可靠性。

　　而下圖所示為TI公司XTR111的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，這種電路非常適合與傳感器輸出直接相連構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA變送器。