4-20 ma電流環(huán)原理分析

4-20ma電流環(huán)原理分析最近接觸到的傳感器比較多，大多數(shù)接口信號(hào)為4-20ma的電流信號(hào)。于是查了一些資料，并不是太理想。以下是參考了一些網(wǎng)上的觀(guān)點(diǎn)，結(jié)合自己的理解，寫(xiě)的東西。有不對(duì)的地方還請(qǐng)各位提出來(lái)，大家互相學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長(zhǎng)線(xiàn)傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線(xiàn)會(huì)受到噪聲的干擾；第二，傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來(lái)傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4?20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿(mǎn)刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。一般傳感器會(huì)把一個(gè)物理信號(hào)利用電橋等轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，比如電壓或電流。下面以一個(gè)恒流源電路來(lái)分析電壓信號(hào)怎么產(chǎn)生與負(fù)載無(wú)關(guān)的電流信號(hào)，當(dāng)然要產(chǎn)生4-20ma的電流信號(hào)，則把電壓信號(hào)利用放大電路進(jìn)行變換之后肯定是能做到的。如果傳感器直接出來(lái)的是電流信號(hào)，則可以先變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路肯定還能轉(zhuǎn)換到4-20ma的電流信號(hào)。當(dāng)然變換過(guò)程中的關(guān)系別人不需要知道。但是自己得知道，上學(xué)期在做測(cè)量PH值信號(hào)好離子濃度信號(hào)的電路時(shí)我就是把中間的關(guān)系一步一步推出來(lái)，這樣才能知道4ma的電流對(duì)應(yīng)的物理量是多上，20ma的信號(hào)對(duì)應(yīng)的物理量是多上。廢話(huà)太多了，下面看看這個(gè)恒流源電路吧這個(gè)電路叫郝蘭德電路，是典型的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。其特點(diǎn)是負(fù)載電阻有一端接地(恒流源通常有這個(gè)要求)，而取樣電阻兩端均不接地。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)要求，關(guān)鍵就是上面一個(gè)運(yùn)放和電阻的匹配。上面一個(gè)運(yùn)放顯然是跟隨器，其輸入阻抗很高，可以看成開(kāi)路，其輸出阻抗很低，可以看成電壓源，而電位與Rs右端相同。這樣就避免了R2中電流對(duì)輸出的影響(R2不從輸出端取用電流)。利用運(yùn)放的虛短和虛斷可以退出加在RL兩端的電壓是V*RL*R2/R1/RS,因此流過(guò)RL的電流IL為V/RS*R2/R1,與負(fù)載無(wú)關(guān)。由運(yùn)放虛短概念可知，V2=V1,V5=V4V3=V2+(V2/R3)*R4->V3=V2*(1+R4/R3)=V1*(1+R4/R3)V1=R1*(V5-V)/(R1+R2)+V->V5=V1*(1+R2/R1)-V*(R2/R1)

V3-V*(R2/R1)=V4采樣電阻RS兩端的電壓為：V4-V3=V*(R2/R1)流過(guò)RS的電流為：(V*(R2/R1))/RS，其大小與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，受輸入電壓V控制。因此一般在處理器端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，一般是把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再用ADC來(lái)處理。對(duì)于精度不高的場(chǎng)合可以就直接接一個(gè)250歐姆的精密電阻，轉(zhuǎn)化為1-5V的信號(hào)。如果精度要求高的話(huà)可以先用運(yùn)放來(lái)處理再用ADC采集。下面是幾種恒流源電路。所謂環(huán)的概念，它要出去兩根線(xiàn)進(jìn)行傳輸，到達(dá)處理器之后要接上負(fù)載電阻，以供AD采樣。正好構(gòu)成一個(gè)環(huán)狀。電流環(huán)通信原理比較古老的通信方式，RS232通信的資料一大堆就不多說(shuō)了。

20mA電流環(huán)路串行接口也是一種應(yīng)用較廣的接口電路，其串行通信接口電路如圖所示，由于其沒(méi)有形成正式標(biāo)準(zhǔn)，因此一般計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備不具有這種接口。但其接口電路簡(jiǎn)單，發(fā)送正、發(fā)送負(fù)、接收正、接收負(fù)四根線(xiàn)分別組成了輸入電流回路和輸出電流回路。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯1和邏輯0來(lái)有規(guī)律的使回路形成通、斷狀態(tài)（圖中用開(kāi)關(guān)示意電流的有無(wú)）。電流環(huán)串行通信接口的最大優(yōu)點(diǎn)是低阻抗傳輸線(xiàn)對(duì)電氣噪聲不敏感，而且易實(shí)現(xiàn)光電隔離,且傳輸距離很長(zhǎng)。圖22WA電/蝦行通仆鞍口下圖是郝蘭德電路，是典型的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。其特點(diǎn)是負(fù)載電阻有一端接地（恒流源通常有這個(gè)要求），而取樣電阻兩端均不接地。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)要求，關(guān)鍵就是上面一個(gè)運(yùn)放和電阻的匹配。上面一