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电流环变送器并进行功能剖析，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MAX15007LDO(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。该规划选用低功耗16位DAC(U1)；零失调、满摆幅输入输出(RRIO)、高功能运算放大器(U2)；电压基准(U3)；以及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、10? (±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。限流电路由双极型晶体管Q2和检测电阻(R6)构成，这样可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200?A；在-40°C至+105°C温度规模内小于300uA。U2运算放大器在时刻和整个温度规模的输入失调电压为25uV(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10? 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。该电路满意以下关系式：
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：
经过R3的电流等于U3电压基准输出除以R3。式3可重写为：
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。有些情况下，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=24.9k，IOUT_INIT=3.2mA，从式4求解R3，得到：
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。这种情况下，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：
最终，式1可重写为：
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，数据根据式8。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。
表1：4~20mA电流环变送器差错剖析。
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。
