如何簡化(4~20) mA接收器設(shè)計

作者：Sohail Mirza （瑞薩電子美國）時間：2020-07-24 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：概述了(4～20) mA環(huán)路的要求，提出了1種環(huán)路接收器設(shè)計方案，并提供數(shù)據(jù)圖表以說明其性能。

(4～20) mA電流環(huán)路是工業(yè)和樓宇自動化應(yīng)用中主流的過程控制方法。它既可用于傳輸來自傳感器的信息，也可用于向執(zhí)行器發(fā)送信息。即使在無線及其它更復(fù)雜數(shù)字解決方案（如IO-Link）問世之后，其憑借固有的故障保護機制、簡易性和低成本，仍然是一種具有吸引力的解決方案。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202007/416113.htm

(4～20) mA標(biāo)準(zhǔn)來自較早的基于壓力的控制標(biāo)準(zhǔn)。在機械時代，蒸汽是主要的驅(qū)動和控制動力。那時，基于壓力的通信方法便被引入，其中管道壓力為3～15 PSI（磅/平方英尺，1 PSI≈6.895 kPa），以控制和傳播信號。(4～20) mA標(biāo)準(zhǔn)作為早期的標(biāo)準(zhǔn)，具備很多功能和優(yōu)勢。例如，每當(dāng)通信通道斷開時，壓力或電流自然歸0，從根本上保證安全。該標(biāo)準(zhǔn)的另一個優(yōu)點是，它具有很小的壓力或電流范圍，分別為0～3 PSI或0～4 mA，可為發(fā)射器供電。

本文概述了(4～20) mA環(huán)路的要求，提出了一種非常優(yōu)秀的環(huán)路接收器設(shè)計方案，并提供數(shù)據(jù)圖表以說明其性能。電流環(huán)路最簡單的形式包括發(fā)射器、電池、回路和接收器。發(fā)射器連接到壓力或溫度等傳感器，接收器（RX）通常連接到顯示器或可編程邏輯控制器（PLC）。您也可在本文中找到發(fā)射器（TX）連接到PLC，或RX連接到某種形式的執(zhí)行器的示例。所有部件均通過導(dǎo)線在1個回路中連接，回路中的電流由TX改變，并由RX測量。電池通常為9～20 V，并為環(huán)路供電，有時還為整個系統(tǒng)供電，包括RX、TX、傳感器和其它電路。

圖1 (4～20) mA電流環(huán)路的最簡單形式

1 (4～20) mA接收器設(shè)計要求

在構(gòu)建(4～20) mA接收器時，設(shè)計人員必須注意2個關(guān)鍵要求：高共模電流測量能力和高精度電流測量能力。電池電壓決定了共模電壓的要求（通常為12 V）。如果共模電壓在5 V左右，你會發(fā)現(xiàn)有很多設(shè)備可供選擇，那么設(shè)計要求就會變得容易得多。然而，共模電壓通常高于5 V，以補償環(huán)路導(dǎo)線電阻引起的RC下降。這些電阻面臨一個事實：環(huán)路可能會長距離運行，距離達到數(shù)千米甚至更長，從而可能會導(dǎo)致環(huán)路中的電壓顯著下降。

測量精度的第2個要求來自傳感器的精度和發(fā)射器的精度。若傳感器精度為0.1%，則在所有條件下都需要1 000個絕對精度的無噪聲位，這意味著需要具有高有效位數(shù)（ENOB）的13～14位ADC。更高的精度等級將需要更多的無噪聲比特位聲位。

此外，還有許多其它需求或特性可構(gòu)成最佳解決方案。例如，解決方案的尺寸，特別是將(4～20) mA接收器電路放在空間有限的PLC模擬I/O卡上時。集成可以幫助減少電路總面積和復(fù)雜性，同時由于較少的組件和較低的偏差提高了解決方案的可靠性。還有一些附加功能，如檢測過流和過壓/欠壓故障狀況等，使該解決方案更加強大。

作者簡介：Sohail Mirza，市場與產(chǎn)品定義高級經(jīng)理。他為工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品定義了先進的精密模擬前端設(shè)備并將其推向市場，并在精密信號處理方面擁有廣泛的專業(yè)背景。他擁有伊利諾伊大學(xué)香檳分校電子工程學(xué)士學(xué)位、州立圣何塞大學(xué)電子工程碩士學(xué)位以及斯坦福大學(xué)管理科學(xué)工程學(xué)位。

2 采用ISL28025的(4~20) mA接收器設(shè)計

盡管ISL28025^[1]數(shù)字電源監(jiān)測器（DPM）并非專門為此應(yīng)用而設(shè)計，但它具備的許多特性使其成為(4～20) mA接收器的理想選擇。它的關(guān)鍵優(yōu)勢在于其高達60 V的高共模（CM）輸入范圍，這是許多其它AFE（模擬前端）沒有的。另一個主要優(yōu)勢是可用于電流感測，輸入范圍為±80 mV。與使用0~5 V輸入ADC感測電流相比，顯著降低了對分流電阻的要求，不僅可以節(jié)省大量功耗，而且由于分流電阻的發(fā)熱和偏移較低，讀數(shù)也更為準(zhǔn)確。

此外，ISL28025支持雙向電流，允許用戶在(4～20) mA或(-20～-4) mA上進行通信。低的10-6偏移的集成基準(zhǔn)電壓和16位ADC使得該器件備受矚目。

當(dāng)連接到高敏感度傳感器時，可在環(huán)路中進行精確測量。DPM設(shè)備還可以在-40~125 ℃范圍內(nèi)運行，這對于工業(yè)應(yīng)用是必需的。其集成的溫度傳感器可檢測過熱和故障前狀況，并且該器件為過壓、欠壓和過流情況提供了可編程觸發(fā)器。

圖2 DPM可在(4~20) mA環(huán)路中的任何位置準(zhǔn)確測量電流和系統(tǒng)電壓

3 結(jié)果：測量電流環(huán)路的電流和系統(tǒng)電壓

圖2中所示電路演示了ISL28025集成電路在(4～20) mA環(huán)路中任何位置精確測量電流及系統(tǒng)電壓的能力。在VINP和VINM之間連接分流電阻測量環(huán)路電流，VBUS連接至24 V電源的正極端子上監(jiān)測電源電壓。SIM-ALP2模擬仿真器作為PLC工具被用作變送器和(4～20) mA的信號源。

盡管使用仿真器工具設(shè)置了環(huán)路中的各種電流，但僅保證±1%的輸出精度，所以仍需要利用數(shù)字萬用表（DMM）來測量環(huán)路中的精確電流（標(biāo)記為“Actual/實際值”的數(shù)據(jù)集）。首先使用ISL28025測量分流電阻（RShunt）兩端電壓，然后除以分流電阻的測量值3.329 6Ω，得出環(huán)路中的電流（標(biāo)記為“Observed/測量值”的數(shù)據(jù)集）。此處要注意，分流電阻使用3.3Ω的Vishay SMD(貼片)電阻器，其額定公差為±1%，溫度系數(shù)為1×10-4 /K，耗散額定值為1 W。為減少由于電阻公差引起的誤差，電阻值通過DMM測量。基于“實際值”和“測量值”，使用以下公式計算兩者之間的百分比誤差。

圖3顯示了2次測量之間的誤差結(jié)果，其中電流設(shè)置在(4～20) mA之間，環(huán)境溫度變化為-40～125 ℃（工業(yè)范圍）。我們看到在電流和溫度范圍內(nèi)，測量的電流百分比誤差小于±1%。在(8～18) mA范圍內(nèi)，誤差更低，小于±0.2%。

除電流外，DPM還用于測量電池或分流電阻處的共模電壓。然后將這些測量值與萬用表讀數(shù)進行比較，并使用相同的公式計算百分比誤差，結(jié)果如圖4所示。其表明，在相同溫度和電流范圍內(nèi)，共模電壓百分比誤差范圍在0.25%～-0.15%之間。若忽略-40 ℃的溫度數(shù)據(jù)，則誤差為±0.15%。

圖3 測得的電流百分比誤差與共模電壓百分比誤差

4 設(shè)計注意事項：分流電阻的選擇

當(dāng)使用分流電阻測量(4～20) mA環(huán)路內(nèi)電流時，設(shè)計要求使用較小的分流器值以節(jié)省因分流器發(fā)熱而導(dǎo)致的功率損耗。如果我們使用1個簡單的0～5 V輸入ADC來測量電流，由于電池電壓的原因，它不僅需要支持高CM（共模），而且還需要250 Ω的分流電阻值，以允許使用整個ADC范圍。如此將導(dǎo)致環(huán)路中產(chǎn)生100 mW功耗。另外，DPM的最大電壓測量范圍為±80 mV。由此，能夠最大限度地利用輸入范圍的分流電阻值為：80 mV / 20 mA = 4 Ω。在我們的示例中，通過將最大電流設(shè)置為25 mA，又增加了25%的余量，從而得出3.2 Ω的值。鑒于3.2 Ω的電阻不是很普遍，因此我們決定使用選擇3.3 Ω的電阻，該阻值在4 mA的低電流下在分流電阻上會產(chǎn)生13.2 mV壓降，而在20 mA的峰值電流下會產(chǎn)生66 mV壓降。因此，在1.32 mW峰值功率下，可節(jié)省98%的功率。

除分流電阻值外，還必須考慮其容差和偏移，因為這將直接影響絕對電流的測量。請注意，可以通過預(yù)測量電阻器或校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)偏移誤差來補償公差。偏移不易校準(zhǔn)，盡管限制自發(fā)熱能夠緩解這一狀況，即通過較小的分流值實現(xiàn)。測量分流器溫度還可通過對偏移曲線進行數(shù)學(xué)校正來補償偏移誤差。