深度揭秘——4-20mA电流环设计

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前言

工业现场有许多过程控制系统，从简单的流量控制到复杂的电网，从环境控制系统到炼钢厂过程控制，这些控制系统由很多模块组成，如中央处理单元、输入模块、模拟量输出、数字量输出、电源等等。不同模块之间需要进行数据通信，在众多现代通信方式中，还有一类相对古老的通信方式显得比较特殊，这就是4~20mA电流环。

4~20mA电流环(current loop)是一种模拟通信方式，与各种现代数字通信方式相比，它不需要复杂的编码、解码工作，通信方式简单;由于电流环与生俱来的抗干扰能力，在噪声环境复杂的工业现场具有很高的可靠性;同时，4~20mA电流环通信又有比较可靠的故障诊断功能。所以，设计人员认为，这种通信和控制方式还会继续使用很多年。

功能

4~20mA电流环的零电平信号采用4mA大小的电流表示，满量程采用20mA电流表示，因此得名“4mA-20mA电流环(current loop)”。4mA以下的电流输出用来进行故障诊断功能，20mA以上电流被认为是超量程输出。不同电流输出的具体含义如下表所示。

下图是一个典型的工业控制系统结构图，CPU通过输入模块接收采用4~20mA电流环通信的传感器信号，经过一定的计算后，控制输出模块对执行机构进行控制。

在这里，气体传感器和CPU之间的通信采用4~20mA电流环来实现，这部分的实现如下图所示。整个通信环路有气体传感器、发送器、接收器、双绞线、电源等几部分构成。

接收器可以是任何能够检测流过检流电阻两端电压的器件，器件的输出即可以是模拟的也可以是数字的。图中的检流电阻一般阻值在100~500Ω之间，通常认为在这里250Ω为“标准”的电阻阻值，125Ω也是一个比较常用的阻值。检流电阻阻值大小取决于接收器的需要和电路设计，而非唯一的。

发送器用来将传感器输出信号转化为4~20mA电流信号。它的电路实现形式多种多样，即可以是由分立器件搭建的电流环也可以是专用集成电流环芯片，只要能够实现电流环的输出电流大小正比于传感器输出信号即可。当传感器输出信号为零或者传感器输出信号处于输出范围下限，发送器输出电流为4mA;当传感器输出信号位于输出范围上限，则发送器输出电流为20mA。

需要注意的是，虽然4~20mA电流环以其结构简单是、可靠性高的特点在各种不同场合得到广泛应用，但在需要高速通信的场合，一般认为4~20mA不适合。电流源的高阻特性、传输电缆的寄生参数等因素限制了整个环路的频率响应。

电路实现

前面已经提到，4~20mA电流环的实现形式多种多样，下面介绍几种比较常用的电路实现。

下图为最简单的电压控制电流源实现形式，由运算放大器U1A，扩流MOSFET Q1，检流电阻R6构成一个典型的电流反馈电路结构，由电阻R6和运算放大器正向输入电压决定了电路输出电流的大小，即Io=Vi+/R6。

电路中的其他器件为起辅助作用，用于提高电路性能。如稳压二极管将12V输入电压再进一步进行降压稳压，电阻R2，R3用于限制VR1两端电压。D1给运算放大器提供一个负压，保证其最低输出可以下降到0V。D3、C2用来保护MOSFET，同时C2还可以防止MOSFET发生振荡。

细心的朋友可能已经发现，上面的电路存在一个问题，发送器的电流输出在高端，即发送器和接收器是不共地的。这在某些场合会存在问题。下图的电路通过增加一级电流转换电路，将电流源输出改为低端输出。

除了上述两种由分立器件构成的电压控制电流源电路外，目前各大IC厂商也都推出了自己的4~20mA集成解决方案。如ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列等。

如下图为AD5410/5420系列内部结构图，其实现原理与分立器件构成的电路相似，但由于单芯片集成了DAC、压控制电流源电路，为设计都提供了4~20mA电流环单芯片解决方便，大大简化了设计复杂度，提高电路的可靠性。

而下图所示为TI公司XTR111的内部结构框图，这种电路非常适合与传感器输出直接相连构成标准的4~20mA变送器。

总结

适合低速通信、协议简单、抗干扰能力强。