深度揭祕——4-20mA電流環設計
工業現場有許多過程控制系統，從簡單的流量控制到複雜的電網，從環境控制系統到鍊鋼廠過程控制，這些控制系統由很多模塊組成如中央處理單元，輸入模塊，模擬量輸出，數字量輸出，電源等等。不同模塊之間需要進行數據通信，在衆多現代通信方式中，還有一類相對古老的通信方式顯得比較特殊，這就是4~20mA電流環。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/184925.htm4~20mA電流環(current loop)是一種模擬通信方式，與各種現代數字通信方式相比，它不需要複雜的編碼、解碼工作，通信方式簡單;由於電流環與生俱來的抗干擾能力，在噪聲環境複雜的工業現場具有很高的可靠性;同時，4~20mA電流環通信又有比較可靠的故障診斷功能。所以，設計人員認爲，這種通信和控制方式還會繼續使用很多年。
功能
4~20mA電流環的零電平信號採用4mA大小的電流表示，滿量程採用20mA電流表示，因此得名“4mA-20mA電流環(current loop)”。4mA以下的電流輸出用來進行故障診斷功能，20mA以上電流被認爲是超量程輸出。不同電流輸出的具體含義如下表所示。
下圖是一個典型的工業控制系統結構圖，CPU通過輸入模塊接收採用4~20mA電流環通信的傳感器信號，經過一定的計算後，控制輸出模塊對執行機構進行控制。
在這裏，氣體傳感器和CPU之間的通信採用4~20mA電流環來實現，這部分的實現如下圖所示。整個通信環路有氣體傳感器、發送器、接收器、雙絞線、電源等幾部分構成。
接收器可以是任何能夠檢測流過檢流電阻兩端電壓的器件，器件的輸出即可以是模擬的也可以是數字的。圖中的檢流電阻一般阻值在100~500 之間，通常認爲在這裏250 爲“標準”的電阻阻值，125 也是一個比較常用的阻值。檢流電阻阻值大小取決於接收器的需要和電路設計，而非唯一的。
發送器用來將傳感器輸出信號轉化爲4~20mA電流信號。它的電路實現形式多種多樣，即可以是由分立器件搭建的電流環也可以是專用集成電流環芯片，只要能夠實現電流環的輸出電流大小正比於傳感器輸出信號即可。當傳感器輸出信號爲零或者傳感器輸出信號處於輸出範圍下限，發送器輸出電流爲4mA;當傳感器輸出信號位於輸出範圍上限，則發送器輸出電流爲20mA。
需要注意的是，雖然4~20mA電流環以其結構簡單是、可靠性高的特點在各種不同場合得到廣泛應用，但在需要高速通信的場合，一般認爲4~20mA不適合。電流源的高阻特性、
傳輸電纜的寄生參數等因素限制了整個環路的頻率響應。
電路實現
前面已經提到，4~20mA電流環的實現形式多種多樣，下面介紹幾種比較常用的電路實現。
下圖爲最簡單的電壓控制電流源實現形式，由運算放大器U1A，擴流MOSFET Q1，檢流電阻R6構成一個典型的電流反饋電路結構，由電阻R6和運算放大器正向輸入電壓決定了電路輸出電流的大小，即Io=Vi+/R6。
電路中的其他器件爲起輔助作用，用於提高電路性能。如穩壓二極管將12V輸入電壓再進一步進行降壓穩壓，電阻R2，R3用於限制VR1兩端電壓。D1給運算放大器提供一個負壓，保證其最低輸出可以下降到0V。D3、C2用來保護MOSFET，同時C2還可以防止MOSFET發生振盪。
細心的朋友可能已經發現，上面的電路存在一個問題，發送器的電流輸出在高端，即發送器和接收器是不共地的。這在某些場合會存在問題。下圖的電路通過增加一級電流轉換電路，將電流源輸出改爲低端輸出。
除了上述兩種由分立器件構成的電壓控制電流源電路外，目前各大IC廠商也都推出了自己的4~20mA集成解決方案。如ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列等。
如下圖爲AD5410/5420系列內部結構圖，其實現原理與分立器件構成的電路相似，但由於單芯片集成了DAC、壓控制電流源電路，爲設計都提供了4~20mA電流環單芯片解決方便，大大簡化了設計複雜度，提高電路的可靠性。
而下圖所示爲TI公司XTR111的內部結構框圖，這種電路非常適合與傳感器輸出直接相連構成標準的4~20mA變送器。
