4-20 ma電流環(huán)原理分析

4-20ma電流環(huán)原理分析最近接觸到的傳感器比較多，大多數(shù)接口信號為4-20ma的電流信號。于是查了一些資料，并不是太理想。以下是參考了一些網(wǎng)上的觀點，結(jié)合自己的理解，寫的東西。有不對的地方還請各位提出來，大家互相學(xué)習(xí)共同進步。在工業(yè)現(xiàn)場，用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)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(guān)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(huán)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。一般傳感器會把一個物理信號利用電橋等轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的電信號，比如電壓或電流。下面以一個恒流源電路來分析電壓信號怎么產(chǎn)生與負載無關(guān)的電流信號，當(dāng)然要產(chǎn)生4-20ma的電流信號，則把電壓信號利用放大電路進行變換之后肯定是能做到的。如果傳感器直接出來的是電流信號，則可以先變?yōu)殡妷盒盘?，再?jīng)過信號調(diào)理電路肯定還能轉(zhuǎn)換到4-20ma的電流信號。當(dāng)然變換過程中的關(guān)系別人不需要知道。但是自己得知道，上學(xué)期在做測量PH值信號好離子濃度信號的電路時我就是把中間的關(guān)系一步一步推出來，這樣才能知道4ma的電流對應(yīng)的物理量是多上，20ma的信號對應(yīng)的物理量是多上。廢話太多了，下面看看這個恒流源電路吧這個電路叫郝蘭德電路，是典型的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。其特點是負載電阻有一端接地(恒流源通常有這個要求)，而取樣電阻兩端均不接地。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這個要求，關(guān)鍵就是上面一個運放和電阻的匹配。上面一個運放顯然是跟隨器，其輸入阻抗很高，可以看成開路，其輸出阻抗很低，可以看成電壓源，而電位與Rs右端相同。這樣就避免了R2中電流對輸出的影響(R2不從輸出端取用電流)。利用運放的虛短和虛斷可以退出加在RL兩端的電壓是V*RL*R2/R1/RS,因此流過RL的電流IL為V/RS*R2/R1,與負載無關(guān)。由運放虛短概念可知，V2=V1,V5=V4V3=V2+(V2/R3)*R4->V3=V2*(1+R4/R3)=V1*(1+R4/R3)V1=R1*(V5-V)/(R1+R2)+V->V5=V1*(1+R2/R1)-V*(R2/R1)

V3-V*(R2/R1)=V4采樣電阻RS兩端的電壓為：V4-V3=V*(R2/R1)流過RS的電流為：(V*(R2/R1))/RS，其大小與負載電阻RL無關(guān)，受輸入電壓V控制。因此一般在處理器端對數(shù)據(jù)進行采集時，一般是把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再用ADC來處理。對于精度不高的場合可以就直接接一個250歐姆的精密電阻，轉(zhuǎn)化為1-5V的信號。如果精度要求高的話可以先用運放來處理再用ADC采集。下面是幾種恒流源電路。所謂環(huán)的概念，它要出去兩根線進行傳輸，到達處理器之后要接上負載電阻，以供AD采樣。正好構(gòu)成一個環(huán)狀。電流環(huán)通信原理比較古老的通信方式，RS232通信的資料一大堆就不多說了。

20mA電流環(huán)路串行接口也是一種應(yīng)用較廣的接口電路，其串行通信接口電路如圖所示，由于其沒有形成正式標準，因此一般計算機的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備不具有這種接口。但其接口電路簡單，發(fā)送正、發(fā)送負、接收正、接收負四根線分別組成了輸入電流回路和輸出電流回路。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯1和邏輯0來有規(guī)律的使回路形成通、斷狀態(tài)（圖中用開關(guān)示意電流的有無）。電流環(huán)串行通信接口的最大優(yōu)點是低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感，而且易實現(xiàn)光電隔離,且傳輸距離很長。圖22WA電/蝦行通仆鞍口下圖是郝蘭德電路，是典型的電壓電流轉(zhuǎn)換電路。其特點是負載電阻有一端接地（恒流源通常有這個要求），而取樣電阻兩端均不接地。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這個要求，關(guān)鍵就是上面一個運放和電阻的匹配。上面一