—— 深度揭密——4-20ma電流環設計
工業現場有許多過程控制系統，從簡單的流量控制到複雜的電網，從環境控制系統到煉鋼廠過程控制，這些控制系統由很多模組組成如**處理單元，輸入模組，模擬量輸出，數字量輸出，電源等等。不同模組之間需要進行資料通訊，在眾多現代通訊方式中，還有一類相對古老的通訊方式顯得比較特殊，這就是4~20ma電流環
4~20ma電流環
(current loop)是一種模擬通訊方式，與各種現代數字通訊方式相比，它不需要複雜的編碼、解碼工作，通訊方式簡單;由於電流環
與生俱來的抗干擾能力，在雜訊環境複雜的工業現場具有很高的可靠性;同時，4~20ma電流環通訊又有比較可靠的故障診斷功能。所以，設計人員認為，這種通訊和控制方式還會繼續使用很多年。
功能
4~20ma電流環的零電平訊號採用4ma大小的電流表示，滿量程採用20ma電流表示，因此得名「4ma-20ma電流環(current loop)」。4ma以下的電流輸出用來進行故障診斷功能，20ma以上電流被認為是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示。
下圖是乙個典型的工業控制系統結構圖，cpu
通過輸入模組接收採用4~20ma電流環通訊的感測器
訊號，經過一定的計算後，控制輸出模組對執行機構進行控制。
在這裡，氣體感測器
和cpu
之間的通訊採用4~20ma電流環來實現，這部分的實現如下圖所示。整個通訊環路有氣體感測器
、傳送器、接收器
、雙絞線、電源等幾部分構成。
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字的。圖中的檢流電阻一般阻值在100~500 之間，通常認為在這裡250 為「標準」的電阻阻值，125 也是乙個比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決於接收器
的需要和電路設計，而非唯一的。
傳送器用來將感測器輸出訊號轉化為4~20ma電流訊號。它的電路實現形式多種多樣，即可以是由分立器件搭建的電流環也可以是專用整合電流環晶元，只要能夠實現電流環的輸出電流大小正比於感測器輸出訊號即可。當感測器輸出訊號為零或者感測器輸出訊號處於輸出範圍下限，傳送器輸出電流為4ma;當感測器輸出訊號位於輸出範圍上限，則傳送器輸出電流為20ma。
需要注意的是，雖然4~20ma電流環以其結構簡單是、可靠性高的特點在各種不同場合得到廣泛應用，但在需要高速通訊的場合，一般認為4~20ma不適合。電流源的高阻特性、
傳輸電纜的寄生引數等因素限制了整個環路的頻率響應。
電路實現
前面已經提到，4~20ma電流環的實現形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實現。
下圖為最簡單的電壓控制電流源實現形式，由運算放大器u1a，擴流mosfet q1，檢流電阻r6構成乙個典型的電流反饋電路結構，由電阻r6和運算放大器正向輸入電壓決定了電路輸出電流的大小，即io=vi+/r6。
電路中的其他器件為起輔助作用，用於提高電路效能。如穩壓二極體將12v輸入電壓再進一步進行降壓穩壓，電阻r2，r3用於限制vr1兩端電壓。d1給運算放大器提供乙個負壓，保證其最低輸出可以下降到0v。d3、c2用來保護mosfet，同時c2還可以防止mosfet發生振盪。
細心的朋友可能已經發現，上面的電路存在乙個問題，傳送器的電流輸出在高階，即傳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整合解決方案。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系列內部結構圖，其實現原理與分立器件構成的電路相似，但由於單晶元整合了dac、壓控制電流源電路，為設計都提供了4~20ma電流環單晶元解決方便，大大簡化了設計複雜度，提高電路的可靠性。
而下圖所示為ti公司xtr111的內部結構框圖，這種電路非常適合與感測器輸出直接相連構成標準的4~20ma變送器。
4 20mA模擬電流採集應用方案
工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度 壓力 速度 角度等，這些都需要轉換成模擬電訊號才能傳輸到幾百公尺外的監控室或顯示裝置上。因為電流訊號不易受干擾，工業上廣泛採用4 20ma電流來傳輸模擬量。4ma表示0 的訊號，可以區分0 訊號和電路斷開 20ma表示100 的訊號，其通斷引起的火花能量不...
微控制器如何輸出4 20ma電流訊號？
如上圖所示，是乙個壓控恆流源 vccs vs1來自微控制器dac引腳的模擬電壓訊號。經過r1,c1組成的低通濾波器進行濾波後送往運放，從伯德圖中可以看出該濾波器在 3db增益處對應的截止頻率為1.59k，足以用來濾除高頻數字干擾訊號。運放在深度負反饋條件下具有虛短的特性，dac訊號進入運放的同相輸入...
為什麼採用4 20mA的電流來傳輸模擬量？
大家可能會非常熟悉rs232，rs485，can等工業上常用的匯流排，他們都是傳輸數碼訊號的方式。那麼，我們用什麼方式來傳輸模擬訊號呢？工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度 壓力 速度 角度等，這些都需要轉換成模擬量電訊號才能傳輸到幾百公尺外的控制室或顯示裝置上。工業上最廣泛採用的是用4 20...