【導讀】對于工業(yè)過(guò)程控制儀表，4-20 mA 電流環(huán)路廣泛用于維持適當的電流，直至系統的電壓能力。電流環(huán)路的主要特征包括盡管互連線(xiàn)路中存在壓降，仍能夠保持信號的準確性，以及為設備提供工作電源的能力。
對于工業(yè)過(guò)程控制儀表，4-20 mA 電流環(huán)路廣泛用于維持適當的電流，直至系統的電壓能力。電流環(huán)路的主要特征包括盡管互連線(xiàn)路中存在壓降，仍能夠保持信號的準確性，以及為設備提供工作電源的能力。
該參考設計展示了如何開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)過(guò)程控制和智能傳感器的高性能、高電壓 2 線(xiàn)或 3 線(xiàn) 4-20mA 電流環(huán)路發(fā)射器。提供了錯誤分析和過(guò)熱特性數據以及硬件設計和軟件。
4-20mA 電流環(huán)已廣泛用作工業(yè)應用中的模擬通信接口。它有助于通過(guò)雙絞線(xiàn)電纜將數據從遠程傳感器傳輸到控制中心的可編程邏輯控制器 (PLC)。簡(jiǎn)單、可靠的長(cháng)距離數據傳輸、良好的抗噪性和低實(shí)施成本使該接口非常適合長(cháng)期工業(yè)過(guò)程控制和遠程對象的自動(dòng)監控。
毫不奇怪，就像當今所有電子應用一樣，工業(yè)正在不斷發(fā)展。它有更嚴格的要求。對更高的精度、更低的功耗、在擴展的 -40°C 至 +105°C 工業(yè)溫度范圍內可靠運行、增加的安全性和系統保護以及數字高速可尋址遠程傳感器 (HART?) 協(xié)議的實(shí)施提出了新的要求?？偟膩?lái)說(shuō)，這些要求使得當今 4-20mA 電流環(huán)路的設計非常具有挑戰性。
*工作原理和關(guān)鍵設計參數*
我們首先關(guān)注新的參考設計。圖 1 中的框圖顯示了高性能、低功耗、4-20mA 電流環(huán)路發(fā)送器，該發(fā)送器減少了組件數量，并在性?xún)r(jià)比方面獲得了結果。
該參考設計采用低功耗、高性能組件，在 25°C 時(shí)提供低于 0.01% 的電流，在整個(gè)溫度范圍內提供低于 0.05% 的電流，適用于業(yè)界要求嚴格的 4-20mA 電流環(huán)路。該設計采用低功耗 16 位 DAC (U1) MAX5216；MAX9620，零漂移軌至軌輸入/輸出(RRIO)、高精度運算放大器(U2)；MAX6133，電壓基準(U3)；以及 MAX15007，40V 低靜態(tài)電流 LDO (U4)。
U3 電壓基準為 U1 提供低噪聲、5ppm/°C（值）的低溫漂移和的 2.500V。智能傳感器微控制器通過(guò) 3 線(xiàn) SPI 總線(xiàn)命令 U1。U1 輸出由 Q1 功率 MOSFET、10Ω (±0.1%) 檢測電阻 (RSENSE) 和 U2 分壓并轉換為環(huán)路電流。U1、U2 和 U3 設備由 U4 供電，U4 直接從環(huán)路供電。有一個(gè)由 Q2、BJT 晶體管和檢測電阻 (R6) 組成的限流電路。該電路將環(huán)路電流限制在大約 30mA，從而防止失控情況以及對 PLC 側 ADC 的任何損壞。肖特基二極管 (D1) 可保護發(fā)送器免受反向電流的影響。
誤差分析和性能優(yōu)化
如果智能傳感器消耗的電流超過(guò) 3.4mA，則它不能用作回路供電的 2 線(xiàn)制變送器的一部分。例如，當微控制器或 ADC 消耗超過(guò) 3mA 的電流或傳感元件需要更高的電源電流以增加其動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。在這種情況下，額外的電流必須流經(jīng)額外的第三根電線(xiàn)。這種配置稱(chēng)為 3 線(xiàn)發(fā)射器，可以進(jìn)行修改，如圖 2 所示。這種設計使其成為通用的 2 線(xiàn)或 3 線(xiàn)智能傳感器發(fā)射器。
圖 2 中的 U5 運算放大器和 Q3 緩沖器正在感測虛擬地，持續保持智能傳感器的公共點(diǎn)并將其保持在 U4 輸出的恒定電壓。U5 運算放大器必須能夠接受 12V 的電源電壓，且 PLC RLOAD/檢測電阻值高達 250Ω。C8 和 R8 負反饋網(wǎng)絡(luò )穩定環(huán)路電流并確保所有正常預期負載條件的穩定性。
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