如何簡(jiǎn)化(4~20) mA接收器設(shè)計(jì)

(4～20) mA電流環(huán)路是工業(yè)和樓宇自動(dòng)化應(yīng)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(zhí)行器發(fā)送信息。即使在無(wú)線及其它更復(fù)雜數(shù)字解決方案（如IO-Link）問(wèn)世之后，其憑借固有的故障保護(hù)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)自較早的基于壓力的控制標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)械時(shí)代，蒸汽是主要的驅(qū)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(hào)。(4～20) mA標(biāo)準(zhǔn)作為早期的標(biāo)準(zhǔn)，具備很多功能和優(yōu)勢(shì)。例如，每當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)方案，并提供數(shù)據(jù)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(zhí)行器的示例。所有部件均通過(guò)導(dǎo)線在1個(gè)回路中連接，回路中的電流由TX改變，并由RX測(cè)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(tǒng)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(shè)計(jì)要求

在構(gòu)建(4～20) mA接收器時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須注意2個(gè)關(guān)鍵要求：高共模電流測(cè)量能力和高精度電流測(cè)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(xiàn)有很多設(shè)備可供選擇，那么設(shè)計(jì)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(bǔ)償環(huán)路導(dǎo)線電阻引起的RC下降。這些電阻面臨一個(gè)事實(shí)：環(huán)路可能會(huì)長(zhǎng)距離運(yùn)行，距離達(dá)到數(shù)千米甚至更長(zhǎng)，從而可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)路中的電壓顯著下降。

測(cè)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(duì)精度的無(wú)噪聲位，這意味著需要具有高有效位數(shù)（ENOB）的13～14位ADC。更高的精度等級(jí)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(gòu)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(fù)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(cè)過(guò)流和過(guò)壓/欠壓故障狀況等，使該解決方案更加強(qiáng)大。

作者簡(jiǎn)介：Sohail Mirza，市場(chǎng)與產(chǎn)品定義高級(jí)經(jīng)理。他為工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品定義了先進(jìn)的精密模擬前端設(shè)備并將其推向市場(chǎng)，并在精密信號(hào)處理方面擁有廣泛的專業(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(shè)計(jì)

盡管ISL28025^[1]數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器（DPM）并非專門(mén)為此應(yīng)用而設(shè)計(jì)，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(shì)在于其高達(dá)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(shì)是可用于電流感測(cè)，輸入范圍為±80 mV。與使用0~5 V輸入ADC感測(cè)電流相比，顯著降低了對(duì)分流電阻的要求，不僅可以節(jié)省大量功耗，而且由于分流電阻的發(fā)熱和偏移較低，讀數(shù)也更為準(zhǔn)確。

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

當(dāng)連接到高敏感度傳感器時(shí)，可在環(huán)路中進(jìn)行精確測(cè)量。DPM設(shè)備還可以在-40~125 ℃范圍內(nèi)運(yùn)行，這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是必需的。其集成的溫度傳感器可檢測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量電流和系統(tǒng)電壓

3   結(jié)果：測(cè)量電流環(huán)路的電流和系統(tǒng)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(cè)量電流及系統(tǒng)電壓的能力。在VINP和VINM之間連接分流電阻測(cè)量環(huán)路電流，VBUS連接至24 V電源的正極端子上監(jiān)測(cè)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(hào)源。

盡管使用仿真器工具設(shè)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(shù)字萬(wàn)用表（DMM）來(lái)測(cè)量環(huán)路中的精確電流（標(biāo)記為“Actual/實(shí)際值”的數(shù)據(jù)集）。首先使用ISL28025測(cè)量分流電阻（RShunt）兩端電壓，然后除以分流電阻的測(cè)量值3.329 6Ω，得出環(huán)路中的電流（標(biāo)記為“Observed/測(cè)量值”的數(shù)據(jù)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(shù)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(cè)量。基于“實(shí)際值”和“測(cè)量值”，使用以下公式計(jì)算兩者之間的百分比誤差。

圖3顯示了2次測(cè)量之間的誤差結(jié)果，其中電流設(shè)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(nèi)，測(cè)量的電流百分比誤差小于±1%。在(8～18) mA范圍內(nèi)，誤差更低，小于±0.2%。

除電流外，DPM還用于測(cè)量電池或分流電阻處的共模電壓。然后將這些測(cè)量值與萬(wàn)用表讀數(shù)進(jìn)行比較，并使用相同的公式計(jì)算百分比誤差，結(jié)果如圖4所示。其表明，在相同溫度和電流范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)，則誤差為±0.15%。

除電流外，DPM還用于測(cè)量電池或分流電阻處的共模電壓。然后將這些測(cè)量值與萬(wàn)用表讀數(shù)進(jìn)行比較，并使用相同的公式計(jì)算百分比誤差，結(jié)果如圖4所示。其表明，在相同溫度和電流范圍內(nèi)，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(shù)據(jù)，則誤差為±0.15%。

圖3 測(cè)得的電流百分比誤差與共模電壓百分比誤差

4   設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：分流電阻的選擇

當(dāng)使用分流電阻測(cè)量(4～20) mA環(huán)路內(nèi)電流時(shí)，設(shè)計(jì)要求使用較小的分流器值以節(jié)省因分流器發(fā)熱而導(dǎo)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(cè)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(dǎo)致環(huán)路中產(chǎn)生100 mW功耗。另外，DPM的最大電壓測(cè)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(shè)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(jié)省98%的功率。

除分流電阻值外，還必須考慮其容差和偏移，因?yàn)檫@將直接影響絕對(duì)電流的測(cè)量。請(qǐng)注意，可以通過(guò)預(yù)測(cè)量電阻器或校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)偏移誤差來(lái)補(bǔ)償公差。偏移不易校準(zhǔn)，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(xiàn)。測(cè)量分流器溫度還可通過(guò)對(duì)偏移曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)校正來(lái)補(bǔ)償偏移誤差。

圖4 共模電壓測(cè)量誤差百分比

5   結(jié)論

綜上所述，(4～20) mA電流環(huán)路是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的通信方式?；趯?duì)設(shè)計(jì)要求的充分理解，ISL28025作為一款出色的數(shù)字電源監(jiān)測(cè)器，不僅滿足(4～20) mA接收器的設(shè)計(jì)需求，而且降低了功耗、復(fù)雜性及成本。

參考文獻(xiàn)：

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