4-20mA是常見的工業(yè)模擬信號(hào)，主要用于傳輸變送器/傳感器的測量數(shù)據(jù)以及泵閥的控制信號(hào)。為什么工業(yè)現(xiàn)場會(huì)使用4-20mA？首先在工業(yè)現(xiàn)場，要完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：

 

第一，如果傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到來自現(xiàn)場的各種噪聲的干擾；

第二，由于采樣端并非絕對(duì)高阻，以及傳輸線的存在線阻，會(huì)導(dǎo)致傳輸壓降產(chǎn)生；

 

采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級(jí)別，因此給4-20mA傳輸帶來的誤差非常小;電流源內(nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米;由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)250歐姆到地的電阻就可以獲得0-5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA級(jí)的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

 

4-20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。

為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢？很簡單，如果0是最小，那么開路故障就檢測不到了！

對(duì)于兩線制儀表來說，只有兩根線，一根是電源線，一根信號(hào)線，環(huán)路工作電流一般為3.5mA，即環(huán)路內(nèi)的器件總電流不大于3.5mA，最大電流小于24mA。

對(duì)于三線制儀表來說，分為電源、信號(hào)線、GND，常見傳輸方式為信號(hào)線和GND，即常見的共地型三線制。

市場上常見的4-20mA產(chǎn)生電路，多為運(yùn)放方案，以下為常見的三線制工業(yè)模擬接口運(yùn)放電路介紹。

用戶常見三線制電路一：

 

 

該電路為常見的HOWLAND結(jié)構(gòu)，輸出精度高，帶載能力好。

用戶常見三線制電路二：

 

該電路為常見的反饋型結(jié)構(gòu)，使用儀放結(jié)構(gòu)，可以有效提升反饋部分的共模抑制比。

用戶常見三線制電路三：

 

用戶常見的三線制電路四：

 

 

下面是上海先積集成（原上海客益電子團(tuán)隊(duì)）推出的高性能、低成本、外圍簡潔的三線制應(yīng)用芯片：

LTS110：分為LTS110CMH（溫漂50ppm）和LTS110BMH（溫漂10ppm）兩個(gè)版本，為上海先積首創(chuàng)，主要針對(duì)電路復(fù)雜的運(yùn)放方案進(jìn)行替代，可以在提高電路性能的同時(shí)減少客戶bom元器件的數(shù)量。如下是LTS110電路及相關(guān)參數(shù)：

 

 

 

l 外圍精簡、LTS110封裝為MSOP10

l 工作電壓：8-36V

l 預(yù)留HART接口（XTR111不支持HART功能）

l 外擴(kuò)三極管散熱

l 線性度兩點(diǎn)校正4-20mA小于0.02%

l 電壓系數(shù)＜0.01%

l 負(fù)載（0-1000Ω@24V）系數(shù)＜0.01%

l 內(nèi)置基準(zhǔn)（buffer后使用，溫度系數(shù)小于20ppm）該基準(zhǔn)可以用于傳感器的ADC量化使用，DAC的基準(zhǔn)（PWM積分的level-shift參照電平）

l 工作溫度：-45℃-125℃

 

 

附:  下圖為常見的PWM積分電路供參考：

 

 

該電路為PWM電平轉(zhuǎn)換及RC一階濾波及二階Sallen-Key濾波電路。

 

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