该参阅规划显现了怎么开发一款合适工业进程操控和智能传感器的高功能、高压2-wire或3-wire 4–20mA电流环变送器。此外，还供给差错剖析测验数据、热特征数据、原理图以及剖析软件。
有关4–20mA变送器规划核算表（XLSX）现在可供下载。
导言
4–20mA电流环广泛用作工业范畴的模仿通讯接口，能够方便地经过双绞线将远端传感器数据传送到操控中心的可编程逻辑操控器（PLC）。这种接口简略、可完成数据的长距离牢靠传输，具有杰出的抗噪性，施行本钱较低，十分合适长时刻的工业进程操控以及远端主动监测。
毫无疑问，工业开展和当今一切的电子运用相同，需求微弱，要求精度更高、功耗更低，并在-40°C至+105°C扩展工业级温度规模内牢靠作业，具有更高的安全性和体系维护，还要求支撑高速可寻址远端传感器（HART®）协议。总而言之，这些要求使得当今的4–20mA电流环规划颇具挑战性。
本文介绍了怎么开发4–20mA电流环变送并进行功能剖析，以及怎么挑选满意苛刻工业要求的元器材。供给差错剖析测验数据、热特征数据、原理图以及剖析软件。
作业原理及要害规划参数
咱们首先从参阅规划下手，图1所示为高功能、低功耗、4–20mA电流环变送器的方框图，该规划大幅减少了元件数量，具有最高性价比。
图1. 4–20mA环路供电变送器参阅规划，由MAX5216 16位DAC （U1）、MAX9620运算放大器（U2）、MAX6133电压基准（U3）和MAX15007 LDO （U4）组成。
该参阅规划选用低功耗、高功能元件，25°C时精度优于0.01%；整个温度规模内，精度优于0.05%，支撑工业上最严厉的4–20mA电流环要求。该规划选用了MAX5216，低功耗16位DAC （U1）；MAX9620，零失调、满摆幅输入输出（RRIO）、高功能运算放大器（U2）；MAX6133，电压基准（U3）；以及MAX15007，40V低静态电流LDO （U4）。
U3电压基准为U1供给低噪声、5ppm/°C （最大值）低温漂和高的2.500V电压。智能传感器微操控器经过3线SPI总线向U1发送指令。U1输出经过火压并被Q1功率MOSFET、10Ω （±0.1%）检流电阻（RSENSE）以及U2转换为环路电流。U1、U2和U3器材由U4供电，后者由环路直接供电。Q2、BJT晶体管和检测电阻（R6）构成限流电路，将环路电流约束在大约30mA，避免失控条件以及损坏PLC侧的ADC。肖特基二极管（D1）维护变送器不受反向电流危害。
功能剖析
参阅规划作业于低功耗，所选元件的最大耗流在+25°C时小于200µA；在-40°C至+105°C温度规模内小于300µA。U2运算放大器在时刻和整个温度规模的输入失调电压为25µV （最大值），抱负用于高精度、高牢靠性体系。10Ω检流电阻答应运用较低的环路供电电压；小电阻耗散功率较低，答应运用小封装，然后进一步减小变送器尺度。例如，假如只要10Ω RSENSE和10Ω负载，其上最大压降在30mA时为600mV。U4 LDO在供给3.3V输出时只需衔接4V电源电压即可正常作业，最小环路电压可低至5V。可是，假如PLC负载为250Ω，那么最小环路电源电压有必要为 4V + 30mA × （10 + 250）Ω = 11.8V。
留意，为了更精确地预算最小环路供电电压，还有必要考虑环路电源内阻。
测验期间，输出在10Ω时呈现出必定的噪声。增大RSENSE电阻值将增大功耗和最小环路供电电压，但也降低了环路噪声。这种归纳平衡可由用户操控。
U2运算放大器盯梢R2和RSENSE上的压降，在其两个输入节点保持0V。该电路满意以下联系式：
（式1）
（式2）
式中IOUT为环路电流 I（R2）为经过R2的电流。 I（R1）为经过R1的电流。 I（R3）为经过R3的电流。式2中，咱们假定U2的IN+和IN-输入电流为0。依照式1和式2，4mA初始环路电流由I（R3）电流设置，而I（R1）为0。所以：
（式3）
经过R3的电流等于U3电压基准输出除以R3。式3可重写为：
（式4）
依据有关经过4–20mA电流环路发送毛病信息的Namur NE43主张，丈量信息的信号规模为3.8mA至20.5mA，答应进程读数产生稍微的线性超量程。有些状况下，当界说了附加毛病条件时，甚至会需求更大的动态规模，比方3.2mA至24mA。因而，挑选R2 = 24.9kΩ，IOUT_INIT = 3.2mA，从式4求解R3，得到：
（式5）
1.945MΩ电阻本钱较高，更重要的是，不太合适主动化出产，也不利于现场校准。因而，更好的办法是选用规范的1%容限电阻，经过校准保证U1 DAC的4mA失调电流和20mA满幅电流精度。这种状况下，需求校准部分数字编码，以保证要求的精度。所以，I（R1） = VDAC/R1，其间VDAC为U1 DAC输出电压。上式重写为：
（式6）
及
（式7）
最终，式1可重写为：
（式8）
差错剖析和功能优化
+25°C下变送器差错
表1所示为+25°C时4–20mA电流环路中的无源元件和VREF的差错剖析，数据依据式8。该表可供下载，主张规划者使用数据表进行成果剖析，找到4mA、20mA及24mA IOUT的对应编码。
因而，假如R3电阻为1%容限的2MΩ规范电阻，将U1 DAC设置为2682十进制码，那么得到的初始环路电流为4.00015mA。留意，因为高分辨率U1 DAC校准消除了个别元件的差错，核算得到的总差错远远小于个别元件的容限。
4–20mA电流环变送器的有效位数（ENOB）核算如下：
（式9）
依据表1中的数据，ENOB等于15.56位。所以，总分辨率差错小于0.5位答应主动校准，也可节约贵重的精细元件数量。
表1所选电阻覆盖了3.2mA至24.6mA电流环动态规模。R1、R2、R3和RSENSE的不同组合可缩小动态规模，应密切留意每个电阻的温度系数（TC）。
变送器温度漂移差错剖析
使用下式核算最小和最大电阻偏移：
（式10）
（式11）
式中，TC为温度系数，单位为ppm/°C；ΔT为总温度规模145°C。
从表2可知，当R1、R2、R3和RSENSE的温度系数取以下值时，得到的差错为0.05% FS。
R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C
R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C
R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C
RSENSE = 10Ω ±0.1%，10ppm/°C
留意，总差错为每个差错源的平方和的平方根：元件容限、元件温度系数、丈量值等。
假如智能传感器的耗流超越3.4mA，则不能用于环路供电的2线变送器。例如，当微操控器或ADC的耗流超越3mA，或许检测元件需求较高供电电流来进步动态规模和/或分辨率时，就会产生这种状况。此刻，额定的电流有必要经过附加的第三根线。可改善这种装备（称为3线发送器），如图2所示，该规划使其成为通用的2线或3线智能传感器变送器。
图2. 通用2线或3线智能变送器框图。
图2中的U5运算放大器和Q3缓冲器监测虚地，继续保持智能变送器的公共端，使其保持在U4输出的安稳电压。U5运算放大器有必要能够支撑12V最大供电电压，PLC RLOAD/检测电阻值高达250Ω。C8和R8负反馈网络安稳环路电流，以及保证正常预期条件下的安稳性。
挑选功率晶体管和维护元件
Q1功率晶体管无特殊要求，可所以MOSFET或双极型功率晶体管，满意最大安全、作业区要求即可。例如，假如环路电源为36V，最大限流为35mA，那么最大功耗要求为1.26W。要慎重处理PCB布局、走线宽度及散热才能。
肖特基二极管（D1） （见图1）为安全器材，避免反向电流损坏变送器。此外，可在LOOP+和LOOP-输入之间添加一个瞬态电压抑制器（D2，方框图中未显现），避免过压浪涌条件。D1和D2的要求取决于详细运用的安全标准。
规划方案测验
规划4–20mA环路供电变送器评价板（EV） MAX5216LPT，选用1000ft 22线规屏蔽通讯电缆和249Ω ±0.1%电阻进行特征剖析。使用Agilent® HP3458A DVM丈量负载电阻压降，测得环路电流。MAX5216 DAC的特征数据制作于图3至图9。更多关于器材和电路板布局的信息，请参阅MAX5216LPT评价板数据资料。
图3. 25°C C下变送器差错，MAX5216 DAC数据。
图4. 变送器差错改变与温度的联系曲线，12V环路电源。
图5. 变送器差错改变与温度的联系曲线，24V环路电源。
图6. 变送器差错改变与温度联系曲线，36V环路电源。
图7. 电流门限与环路电压的联系曲线， 24.3Ω检测电阻。
图8. 电流门限与温度联系曲线，24.3Ω检测电阻。
图9. 输出噪音。
该变送器参阅规划也支撑HART®协议，能够方便地衔接HART调制解调器，例如DS8500 （见图12）。图10和图11所示为249Ω负载电阻时1000ft 4–20mA电流环上的HART信号。
图10. 4–20mA电流环上的HART通讯。
图11. 两个调制解调器之间的HART通讯。
图12. HART调制解调器衔接框图。
Agilent是Agilent Technologies， Inc.的注册商标和注册服务标志。 
HART是HART通讯基金会的注册商标。
