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)場具有很高的可靠性;同時，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)計人員認(rèn)為，這種通信和控制方式還會繼續(xù)使用很多年。
4-20mA電流環(huán)功能
的零電平信號采用4mA大小的電流表示，滿量程采用20mA電流表示，因此得名“4-20mA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。
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電流輸出 mA |
狀態(tài) |
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0.0 |
單元故障 |
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0.8 |
單元預(yù)熱 |
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1.2 |
零點漂移故障 |
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1.6 |
校準(zhǔn)故障 |
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2.0 |
單元生產(chǎn)(跨接) |
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2.2 |
單元調(diào)零 |
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4.0-20.0 |
常規(guī)測量模式 |
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4.0 |
零氣體級別 |
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5.6 |
滿量程的10% |
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8.0 |
滿量程的25% |
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12.0 |
滿量程的50% |
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16.0 |
滿量程的75% |
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20.0 |
滿量程 |
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＞20.0 |
超量程 |
在這里，氣體傳感器和CPU之間的通信采用4-20mA電流環(huán)來實現(xiàn)，這部分的實現(xiàn)如下圖所示。整個通信環(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100-500Ω之間，通常認(rèn)為在這里250Ω為“標(biāo)準(zhǔn)”的電阻阻值，125Ω也是一個比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決于接收器的需要和電路設(shè)計，而非唯一的。
發(fā)送器用來將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)化為4-20mA電流信號。它的電路實現(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即可。當(dāng)傳感器輸出信號為零或者傳感器輸出信號處于輸出范圍下限，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)簡單是、可靠性高的特點在各種不同場合得到廣泛應(yīng)用，但在需要高速通信的場合，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)等因素限制了整個環(huán)路的頻率響應(yīng)。
4-20mA電流環(huán)電路實現(xiàn)
前面已經(jīng)提到，4-20mA電流環(huán)的實現(xiàn)形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實現(xiàn)。
下圖為最簡單的電壓控制電流源實現(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I0=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。這在某些場合會存在問題。下圖的電路通過增加一級電流轉(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)計都提供了4-20mA電流環(huán)單芯片解決方便，大大簡化了設(shè)計復(fù)雜度，提高電路的可靠性。
而下圖所示為TI公司XTR111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。
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