如何簡(jiǎn)化(4~20) mA接收器設計

(4～20) mA電流環(huán)路是工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應用中主流的過(guò)程控制方法。它既可用于傳輸來(lái)自傳感器的信息，也可用于向執行器發(fā)送信息。即使在無(wú)線(xiàn)及其它更復雜數字解決方案（如IO-Link）問(wèn)世之后，其憑借固有的故障保護機制、簡(jiǎn)易性和低成本，仍然是一種具有吸引力的解決方案。

(4～20) mA標準來(lái)自較早的基于壓力的控制標準。在機械時(shí)代，蒸汽是主要的驅動(dòng)和控制動(dòng)力。那時(shí)，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標準作為早期的標準，具備很多功能和優(yōu)勢。例如，每當通信通道斷開(kāi)時(shí)，壓力或電流自然歸0，從根本上保證安全。該標準的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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)路接收器設計方案，并提供數據圖表以說(shuō)明其性能。電流環(huán)路最簡(jiǎn)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行器的示例。所有部件均通過(guò)導線(xiàn)在1個(gè)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(shí)還為整個(gè)系統供電，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(jiǎn)單形式

1   (4～20) mA接收器設計要求

在構建(4～20) mA接收器時(shí)，設計人員必須注意2個(gè)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(huì )發(fā)現有很多設備可供選擇，那么設計要求就會(huì )變得容易得多。然而，共模電壓通常高于5 V，以補償環(huán)路導線(xiàn)電阻引起的RC下降。這些電阻面臨一個(gè)事實(shí)：環(huán)路可能會(huì )長(cháng)距離運行，距離達到數千米甚至更長(cháng)，從而可能會(huì )導致環(huán)路中的電壓顯著(zhù)下降。

測量精度的第2個(gè)要求來(lái)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(gè)絕對精度的無(wú)噪聲位，這意味著(zhù)需要具有高有效位數（ENOB）的13～14位ADC。更高的精度等級將需要更多的無(wú)噪聲比特位聲位。

此外，還有許多其它需求或特性可構成最佳解決方案。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(shí)。集成可以幫助減少電路總面積和復雜性，同時(shí)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(guò)流和過(guò)壓/欠壓故障狀況等，使該解決方案更加強大。

作者簡(jiǎn)介：Sohail Mirza，市場(chǎng)與產(chǎn)品定義高級經(jīng)理。他為工業(yè)和醫療產(chǎn)品定義了先進(jìn)的精密模擬前端設備并將其推向市場(chǎng)，并在精密信號處理方面擁有廣泛的專(zhuān)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接收器設計

盡管ISL28025^[1]數字電源監測器（DPM）并非專(zhuān)門(mén)為此應用而設計，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(méi)有的。另一個(gè)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(zhù)降低了對分流電阻的要求，不僅可以節省大量功耗，而且由于分流電阻的發(fā)熱和偏移較低，讀數也更為準確。

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

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

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

3   結果：測量電流環(huán)路的電流和系統電壓

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，所以仍需要利用數字萬(wàn)用表（DMM）來(lái)測量環(huán)路中的精確電流（標記為“Actual/實(shí)際值”的數據集）。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（標記為“Observed/測量值”的數據集）。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(guò)DMM測量?；凇皩?shí)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果，其中電流設置在(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，測量的電流百分比誤差小于±1%。在(8～18) mA范圍內，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(wàn)用表讀數進(jìn)行比較，并使用相同的公式計算百分比誤差，結果如圖4所示。其表明，在相同溫度和電流范圍內，共模電壓百分比誤差范圍在0.25%～-0.15%之間。若忽略-40 ℃的溫度數據，則誤差為±0.15%。

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(wàn)用表讀數進(jìn)行比較，并使用相同的公式計算百分比誤差，結果如圖4所示。其表明，在相同溫度和電流范圍內，共模電壓百分比誤差范圍在0.25%～-0.15%之間。若忽略-40 ℃的溫度數據，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   設計注意事項：分流電阻的選擇

當使用分流電阻測量(4～20) mA環(huán)路內電流時(shí)，設計要求使用較小的分流器值以節省因分流器發(fā)熱而導致的功率損耗。如果我們使用1個(gè)簡(jiǎn)單的0～5 V輸入ADC來(lái)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(gè)ADC范圍。如此將導致環(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(guò)將最大電流設置為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(huì )產(chǎn)生13.2 mV壓降，而在20 mA的峰值電流下會(huì )產(chǎn)生66 mV壓降。因此，在1.32 mW峰值功率下，可節省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(guò)預測量電阻器或校準系統內偏移誤差來(lái)補償公差。偏移不易校準，盡管限制自發(fā)熱能夠緩解這一狀況，即通過(guò)較小的分流值實(shí)現。測量分流器溫度還可通過(guò)對偏移曲線(xiàn)進(jìn)行數學(xué)校正來(lái)補償偏移誤差。

圖4 共模電壓測量誤差百分比

5   結論

綜上所述，(4～20) mA電流環(huán)路是工業(yè)控制系統中常用的通信方式?；趯υO計要求的充分理解，ISL28025作為一款出色的數字電源監測器，不僅滿(mǎn)足(4～20) mA接收器的設計需求，而且降低了功耗、復雜性及成本。

參考文獻：

[ 1 ] ISL28025[R/OL] .www.renesas.com/products/ISL28025.