4~20mA模擬輸出（電流環(huán)）應(yīng)用筆記

bpesun@163.com

前言

4-20mA.DC(1-5V.DC)信號(hào)制是國際電工委員會(huì)(IEC):過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

在工業(yè)現(xiàn)場，如果采集的信號(hào)經(jīng)調(diào)理后是電壓信號(hào)并且進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：

第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)很容易就受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分

布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題。

為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，工業(yè)現(xiàn)場大量采用電流來傳輸信號(hào)。采用電

流信號(hào)的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，

在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊?#xff1a;20mA的電流通斷引起

的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警下限。只

所以沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷

路，環(huán)路電流降為0。

4～20mA 電流環(huán)有兩種類型：二線制和三線制。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的

驅(qū)動(dòng)器件如閥門等時(shí)，一般采用三線制變送器，這里電流輸出模塊位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系

統(tǒng)直接向電流輸出模塊供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統(tǒng)是電流

輸出模塊和傳感器位于現(xiàn)場端，由于現(xiàn)場供電困難，一般是接收端利用4～20mA的電流環(huán)

線纜向遠(yuǎn)端的電流輸出模塊供電，通過4～20mA來反映信號(hào)的大小。

4～20mA 產(chǎn)品的典型應(yīng)用是傳感和測量應(yīng)用。在工業(yè)現(xiàn)場有許多種類的傳感器可以被

轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)。

變送器的概念是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（0/4~20mA DC,1~5V

DC,0~10V DC）的儀器。傳感器是能夠受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸

出信號(hào)的器件或裝置的總稱,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)

準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。們討論的兩線制、三線制、四線制，是指各種輸出為模擬直流電

流信號(hào)的變送器。

方案

兩線制電流環(huán)方案

兩線制電流環(huán)的工作電源和信號(hào)共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供。所謂兩線制即

電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅

用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信號(hào)線。兩線制變送器由于信號(hào)起點(diǎn)電流為4mA，

為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零

點(diǎn)”有利于識(shí)別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵,利于安全防爆。

兩線制變送器如圖一所示，其供電為24V.DC，輸出信號(hào)為4~20mA.DC，負(fù)載電阻為

250Ω，24V電源的負(fù)線電位最低，它就是信號(hào)公共線，對(duì)于智能變送器還可在4~20mA信

號(hào)上加載HART協(xié)議的FSK鍵控信號(hào)。

下圖是TI的XTR115的應(yīng)用方案。

三/四線制電流環(huán)方案

三/四線制電流環(huán)有專門的供電線。由于4~20mA.信號(hào)制的普及和應(yīng)用，在控制系統(tǒng)應(yīng)

用中為了便于連接，就要求信號(hào)制的統(tǒng)一，為此要求一些非電動(dòng)單元組合的儀表，如在線分

析、機(jī)械量、電量等儀表，能采用輸出為4-20mA.信號(hào)制，但是由于其轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜、功耗

大等原因，難于全部滿足上述的三個(gè)條件，而無法做到兩線制，就只能采用外接電源的方法

來做輸出為4~20mA的四線制變送器了。四線制變送器如圖所示，其供電大多為220V.AC，

也有供電為24V.DC的。輸出信號(hào)有4~20mA.DC，負(fù)載電阻為250Ω。

有的儀表廠為了減小變送器的體積和重量、并提高抗干擾性能、減化接線，而把變送器

的供電由220V.AC改為低壓直流供電，如電源從24V.DC電源箱取用，由于低壓供電就為負(fù)

線共用創(chuàng)造了條件，這樣就有了三線制的變送器產(chǎn)品。

三線制變送器如圖三所示，所謂三線制就是電源正端用一根線，信號(hào)輸出正端用一根線，

電源負(fù)端和信號(hào)負(fù)端共用一根線。

三/四線制電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)

集成芯片方案

我們以TI和ADI兩家半導(dǎo)體廠家提供的集成芯片為例子，來探討電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)。集成

芯片又分成V/I芯片和D/I（D/A）芯片。V/I芯片是把標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流的芯片，D/I

芯片是將數(shù)字量通過串行或者并行數(shù)字接口直接轉(zhuǎn)換為電流量的芯片。

TI公司提供的V/I芯片包括XTR111等。可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流量。下圖是TI

的XTR110的一個(gè)應(yīng)用方案。

下圖是使用xtr111芯片的一個(gè)方案，利用微控制器的PWM經(jīng)過低通濾波轉(zhuǎn)換為

電壓，輸入xtr111，產(chǎn)生4～20mA電流。這個(gè)是我剛用過的，感覺還是挺穩(wěn)定的。

ADI提供一種電流環(huán)變送器驅(qū)動(dòng)芯片（V/I），如AD694。可以將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為電

流輸出。

ADI公司提供了一系列的D/A轉(zhuǎn)換芯片。其數(shù)字量輸入一般是SPI接口或者是并口，

輸出為4~20mA電流量。AD420是應(yīng)用比較廣泛的電流環(huán)輸出芯片，在網(wǎng)上能查到好多資

料。憑借ADI公司iCMOSTM 工業(yè)制造工藝支持的技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)出的最新DAC包括

AD5422，AD5420，AD5412和AD5410，從而允許它們能夠達(dá)到工業(yè)應(yīng)用所要求的高電壓。

其中AD5422是采用12V~48V單電源或者±12V~±24V雙電源供電的單通道16bit DAC。通

過軟件可選擇其輸出配置，在電壓模式下其輸出選擇范圍為5V，10V，±5V和±10V；在電

流模式下其輸出選擇范圍為4～20mA，0～20mA和0～24mA。全部輸出范圍都包含一個(gè)附

加的超量程設(shè)置。

AD5422工作在電壓模式或電流模式時(shí)達(dá)到0.1%總非調(diào)整誤差(TUE)精度水平，還包括

一個(gè)5ppm/oC內(nèi)部參考電壓源。內(nèi)部故障檢測電路為線路故障提供了硬件指示和軟件指示，

例如線路或遠(yuǎn)端負(fù)載的開路或短路。AD5422還集成了過熱指示。為了檢測輸出電壓，它包

含了帶強(qiáng)制和檢測能力緩沖電壓輸出，用來補(bǔ)償串聯(lián)保護(hù)電阻器和現(xiàn)場布線阻抗。AD5422

片內(nèi)可調(diào)節(jié)精密輸出放大器使其輸出擺幅接近電源電壓(R-R特性)，從而使其動(dòng)態(tài)范圍最大

并且使該DAC能夠提供多種工業(yè)應(yīng)用所需要的性能。其模擬輸出端能驅(qū)動(dòng)高達(dá)1μF的容性

負(fù)載和高達(dá)1H的感性負(fù)載。

AD5412是引腳兼容的單通道12bit、電流源和電壓輸出DAC。AD5420(16bit) 和

AD5410(12bit)只能工作在電流源模式 ，它們采用12V～60V單電源供電，可用軟件選擇輸

出配置，包括4～20mA，0～20mA和0～24mA選擇范圍。

這些最新的DAC還包含一個(gè)30MHz的串行外圍接口(SPI)，上電復(fù)位和硬件清零(CLR)

以及用于輸出控制的CLR選擇功能。每款DAC在工業(yè)溫度范圍都完全達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)。

這些芯片對(duì)于想開發(fā)4~20mA電流的工程師來說是極大的好消息，但是在國內(nèi)卻很難買

到，并且價(jià)格也非常高，這就限制了這些芯片的應(yīng)用。

分立元件方案

下面是一個(gè)給出工作原理的4~20mA輸出電路。

原理如下：

根據(jù)“虛斷”的概念

由下一條反饋支路得到

V(B) = 2 * V(3) - Vin ①

由上一條反饋支路得到

V(A) = 2 * V(2)

根據(jù)“虛短”可知V(3) = V(2)

所以V(A) = 2 * V(3) ②

列B 點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程

I(L) = V(B) / RL = [V(A) - V(B)] / R10 + [V(3)-V(B)] / R8

將①、②代入，得到

I(L) = -Vin / R10 + (Vin - V3) / R8

因?yàn)镽8 >> R10，忽略后面一項(xiàng)，得到負(fù)載電流

A

B

I(L) = -Vin / R10 = -Vin/500

可以看出負(fù)載電流是與負(fù)載大小無關(guān)的表達(dá)式。

這樣0~10V 信號(hào)在負(fù)載上就變成0~20mA 的信號(hào)

這是一個(gè)很可靠的電路，我在多個(gè)項(xiàng)目中使用了效果很理想。實(shí)際應(yīng)用中為了提高精度

和帶載能力，我將反饋電阻R8 換成了運(yùn)放電壓跟隨器反正LM258是雙運(yùn)放，另一路空著

也是空著，不用白不用。另外要注意，負(fù)載的上限不能超過VCC 和9013 的能力

下圖是在網(wǎng)上找到的一個(gè)分立器件的原理圖。

總結(jié)

以三/四線為例子進(jìn)行總結(jié)如下：

最快方案：尋找?guī)в袛?shù)字接口（如SPI）的DAC芯片（AD5412）。

最可行方案：使用V/I變換芯片，如xtr111.（好買）

最經(jīng)濟(jì)方案：使用分立器件。

?

參考資料

http://blog.gkong.com/more.asp?id=61258&name=dlr

http://www.gkong.com/gkong_bbs/uploadImages1/20055812112454123.jpg

?

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/embedded-linux/p/5212763.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的4~20mA模拟输出（电流环）应用笔记（转）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。