4~20mA電流環工作原理

在工業現場，用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸，會產生以下問題：第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降；第三，在現場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。

為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA的電流環便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警。

4～20mA電流環有兩種類型：二線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的驅動器件如閥門等時，一般采用三線制變送器，這里XTR位于監控的系統端，由系統直接向XTR供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統是XTR和傳感器位于現場端，由于現場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20mA的電流環向遠端的XTR供電，通過4～20mA來反映信號的大小。

4～20mA產品的典型應用是傳感和測量應用，在工業現場有許多種類的傳感器可以被轉換成4～20mA的電流信號，TI擁有一些很方便的用于RTD和電橋的變送器芯片。由于TI的變送器芯片含有通用的功能電路比如電壓激勵源、電流激勵流、穩壓電路、儀表放大器等，所以可以很方便地把許多傳感器的信號轉化為4～20mA的信號。

電橋傳感器的大多數應用是用于測量壓力。在一個實際電路中，如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k，那么無論從激勵電壓端或差分輸出端看進去，它的等效電阻都是2k。在沒有壓力的時候，它的電橋是平衡的，輸出電壓為0。當施加壓力時，由于電橋失衡，會產生一個差分電壓，差分電壓便會反映這個壓力的大小。

滿度和色調是壓力傳感器的兩個主要技術指標，現實世界里使用著的傳感器都存在著一定的非線性，它的輸出電壓會隨著溫度的變化而變化。輸出電壓隨溫度的變化不是線性的，滿度和色調都具有這種性質。

4～20mA的傳感器信號調理解決方案

4～20mA電流環在結構上由兩部分即變送器和接收器組成，變送器一般位于現場端、傳感器端或模塊端，而接收器一般在PLC和計算機端，它一般在控制器內。

二線制4～20mA電路應用，其工作電源和信號共用一根導線，工作電源由接收端提供。為了避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。二線制方案需要考慮的主要問題：確定所用接收器的數量，當有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。

二線制方案設計需要考慮：（1）電路環中的接收器的數量：更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；（2）變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；（3）決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。

TI提供的帶有電壓調節和參考電路的二線制方案。XTR115/116是用于4～20mA信號的精密的信號轉換器，它包含有5V電壓的穩壓電路，可以向外部電路供電。一個精密的片上基準電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵。

三線制4～20mA電路在設計上是由變送器端提供工作電源，為避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。XTR調節器和現場的負載共用一個地接。方案設計需要考慮：

（1）電流環路中的接收器的數量；（2）更多的接收器要求變送器擁有更高的工作電壓；（3）保證變送器所必需的工作電壓，并應該有一定的余量。

TI提供的三線制的變送器應用方案，XTR110是一個用于模擬信號傳送的精密的電壓-電流轉換器，它可以將0～5V或0～10V的輸入電壓直接轉換到4～20mA、0～20mA、5～25mA的輸出信號。XTR110含有精密的電阻網絡，以適應不同的輸入輸出要求。一個10V的電壓參考可以用于驅動外部電路。

4～20mA的校正

傳統的4～20mA校正，要求特殊的夾具固定，需要特別的激光或手動電阻器調整，而調整是相互影響的，需要一個測試、調整，再測試、再調整的過程，調整次數和范圍有限。電子器件和傳感器調整起來不夠方便。

現代的數字化4～20mA校正，它允許電子器件和傳感器在封裝之后進行調整；可通過計算機計算出校正系數來簡化數值調整；可以有無限的調整次數，并且有很好的分辨率和較寬的調整范圍；調整過程中不存在相互影響；電子器件和傳感器可以很方便地調整。

XTR108是TI提供的校正4～20mA的解決方法。它具有480 A的電流參考，它提供RTD的非線性校正，不需要外加可調電阻器。XTR108的特點有：（1）具有傳感器的線性化電路；（2）數字校正。通過SPI接口可以直接對XTR108設置，通過SPI接口可直接編程EEPROM；（3）自動穩零的可編程增益的應用放大器的增益范圍為6.26～400倍；（4）RTD激勵的可編程電流的分辨率為1.54 A；（5）校正參數存儲在外接的EEPROM中；（6）可編程的過量程和欠量程的輸出。

此外，TI還提供一款橋路傳感器的數字校正解決方案—PGA309，它是專為橋路壓力傳感器設計的可編程模擬信號調節器。它模擬放大器傳感信號并提供對色調電壓和滿度電壓的數字校正，由于避免了手動調整而獲得了長期的穩定性，并將輸出電壓信號轉換成4～20mA的輸出。