【導讀】對于工業(yè)過程控制儀表，4-20 mA 電流環(huán)路廣泛用于維持適當?shù)碾娏鳎敝料到y(tǒng)的電壓能力。電流環(huán)路的主要特征包括盡管互連線路中存在壓降，仍能夠保持信號的準確性，以及為設(shè)備提供工作電源的能力。
對于工業(yè)過程控制儀表，4-20 mA 電流環(huán)路廣泛用于維持適當?shù)碾娏?，直至系統(tǒng)的電壓能力。電流環(huán)路的主要特征包括盡管互連線路中存在壓降，仍能夠保持信號的準確性，以及為設(shè)備提供工作電源的能力。
該參考設(shè)計展示了如何開發(fā)適用于工業(yè)過程控制和智能傳感器的高性能、高電壓 2 線或 3 線 4-20mA 電流環(huán)路發(fā)射器。提供了錯誤分析和過熱特性數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)計和軟件。
4-20mA 電流環(huán)已廣泛用作工業(yè)應(yīng)用中的模擬通信接口。它有助于通過雙絞線電纜將數(shù)據(jù)從遠程傳感器傳輸?shù)娇刂浦行牡目删幊踢壿嬁刂破?(PLC)。簡單、可靠的長距離數(shù)據(jù)傳輸、良好的抗噪性和低實施成本使該接口非常適合長期工業(yè)過程控制和遠程對象的自動監(jiān)控。
毫不奇怪，就像當今所有電子應(yīng)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(nèi)可靠運行、增加的安全性和系統(tǒng)保護以及數(shù)字高速可尋址遠程傳感器 (HART?) 協(xié)議的實施提出了新的要求。總的來說，這些要求使得當今 4-20mA 電流環(huán)路的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。
*工作原理和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)*
我們首先關(guān)注新的參考設(shè)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(shù)量，并在性價比方面獲得了結(jié)果。
該參考設(shè)計采用低功耗、高性能組件，在 25°C 時提供低于 0.01% 的電流，在整個溫度范圍內(nèi)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(shè)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 3 線 SPI 總線命令 U1。U1 輸出由 Q1 功率 MOSFET、10Ω (±0.1%) 檢測電阻 (RSENSE) 和 U2 分壓并轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流。U1、U2 和 U3 設(shè)備由 U4 供電，U4 直接從環(huán)路供電。有一個由 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(cè) 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 3.4mA，則它不能用作回路供電的 2 線制變送器的一部分。例如，當微控制器或 ADC 消耗超過 3mA 的電流或傳感元件需要更高的電源電流以增加其動態(tài)范圍和/或分辨率時，就會發(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。這種配置稱為 3 線發(fā)射器，可以進行修改，如圖 2 所示。這種設(shè)計使其成為通用的 2 線或 3 線智能傳感器發(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(xù)保持智能傳感器的公共點并將其保持在 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(wěn)定環(huán)路電流并確保所有正常預期負載條件的穩(wěn)定性。
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