高精度4-20 mA電流回路變送器設(shè)計(jì)

對(duì)于工業(yè)過程控制儀器，4-20 mA 電流回路被廣泛用于維持適當(dāng)?shù)碾娏?，直至系統(tǒng)的最大電壓能力。電流回路的主要特性包括盡管互連線路中的電壓下降，但仍能保持信號(hào)的準(zhǔn)確性，以及為設(shè)備提供工作電源的能力。

此參考設(shè)計(jì)展示了如何開發(fā)適用于工業(yè)過程控制和智能傳感器的高性能、高電壓 2 線或 3 線 4–20mA 電流回路變送器。提供錯(cuò)誤分析和過熱特性數(shù)據(jù)以及硬件設(shè)計(jì)和軟件。

4-20mA 電流回路已廣泛用作工業(yè)應(yīng)用中的模擬通信接口。它有助于將數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程傳感器通過雙絞線傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心的可編程邏輯控制器 (PLC)。簡(jiǎn)單、可靠的長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸、良好的抗噪性和低實(shí)施成本使該接口非常適合長(zhǎng)期工業(yè)過程控制和遠(yuǎn)程對(duì)象的自動(dòng)監(jiān)控。

不出所料，工業(yè)就像今天的所有電子應(yīng)用一樣不斷發(fā)展。它有更嚴(yán)格的要求。對(duì)更高的精度、更低的功率、在 -40°C 至 +105°C 工業(yè)溫度范圍內(nèi)的可靠運(yùn)行、增加的安全性和系統(tǒng)保護(hù)以及數(shù)字高速公路可尋址遠(yuǎn)程傳感器 (HART?) 協(xié)議的實(shí)施提出了新的要求。總的來說，這些要求使得當(dāng)今 4-20mA 電流回路的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。

*操作原理和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)*

我們首先關(guān)注新的參考設(shè)計(jì)。圖 1 中的框圖顯示了高性能、低功耗、4-20mA 電流環(huán)路發(fā)送器，它減少了組件數(shù)量并在性價(jià)比方面獲得了最佳結(jié)果。

該參考設(shè)計(jì)使用低功耗、高性能組件，在 25°C 時(shí)提供低于 0.01% 的電流，在業(yè)界要求最嚴(yán)苛的 4–20mA 電流環(huán)路的溫度范圍內(nèi)提供低于 0.05% 的電流。該設(shè)計(jì)采用低功耗 16 位 DAC (U1) MAX5216；MAX9620，零漂移軌到軌輸入/輸出(RRIO)，高精度運(yùn)算放大器(U2)；MAX6133，參考電壓（U3）；和 MAX15007，一個(gè) 40V 低靜態(tài)電流 LDO (U4)。

U3 電壓基準(zhǔn)為 U1 提供低噪聲、5ppm/°C（最大值）的低溫漂移和精確的 2.500V。智能傳感器微控制器通過 3 線 SPI 總線命令 U1。U1 輸出由 Q1 功率 MOSFET、10Ω (±0.1%) 檢測(cè)電阻器 (RSENSE) 和 U2 分壓并轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流。U1、U2 和 U3 設(shè)備由 U4 供電，U4 直接從回路供電。有一個(gè)由 Q2、一個(gè) BJT 晶體管和一個(gè)檢測(cè)電阻器 (R6) 組成的限流電路。該電路將回路電流限制在大約 30mA，從而防止失控情況和對(duì) PLC 側(cè) ADC 的任何損壞。肖特基二極管 (D1) 保護(hù)發(fā)射器免受反向電流的影響。

誤差分析和性能優(yōu)化

如果智能傳感器消耗的電流超過 3.4mA，則它不能用作回路供電 2 線制變送器的一部分。例如，當(dāng)微控制器或 ADC 消耗超過 3mA 的電流或當(dāng)傳感元件需要更高的電源電流以增加其動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。在這種情況下，額外的電流必須流過額外的第三根導(dǎo)線。這種稱為 3 線制變送器的配置可以修改，如圖 2 所示。這種設(shè)計(jì)使其成為通用的 2 線制或 3 線制智能傳感器變送器。

圖 2 中的 U5 運(yùn)算放大器和 Q3 緩沖器檢測(cè)虛擬接地，持續(xù)保持智能傳感器的公共點(diǎn)，并將其保持在 U4 輸出的恒定電壓。U5 運(yùn)算放大器必須能夠接受 12V 的最大電源電壓，并且 PLC RLOAD/檢測(cè)電阻值高達(dá) 250Ω。C8 和 R8 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)可穩(wěn)定環(huán)路電流并確保所有正常預(yù)期負(fù)載條件下的穩(wěn)定性。

編輯：hfy