高精度4-20 mA電流回路變送器設計

對于工業(yè)過程控制儀器，4-20 mA 電流回路被廣泛用于維持適當?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，但仍能保持信號的準確性，以及為設備提供工作電源的能力。

此參考設計展示了如何開發(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。提供錯誤分析和過熱特性數(shù)據(jù)以及硬件設計和軟件。

4-20mA 電流回路已廣泛用作工業(yè)應用中的模擬通信接口。它有助于將數(shù)據(jù)從遠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)。簡單、可靠的長距離數(shù)據(jù)傳輸、良好的抗噪性和低實施成本使該接口非常適合長期工業(yè)過程控制和遠程對象的自動監(jiān)控。

不出所料，工業(yè)就像今天的所有電子應用一樣不斷發(fā)展。它有更嚴格的要求。對更高的精度、更低的功率、在 -40°C 至 +105°C 工業(yè)溫度范圍內的可靠運行、增加的安全性和系統(tǒng)保護以及數(shù)字高速公路可尋址遠程傳感器 (HART?) 協(xié)議的實施提出了新的要求?？偟膩碚f，這些要求使得當今 4-20mA 電流回路的設計極具挑戰(zhàn)性。

*操作原理和關鍵設計參數(shù)*

我們首先關注新的參考設計。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)量并在性價比方面獲得了最佳結果。

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

U3 電壓基準為 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%) 檢測電阻器 (RSENSE) 和 U2 分壓并轉換為環(huán)路電流。U1、U2 和 U3 設備由 U4 供電，U4 直接從回路供電。有一個由 Q2、一個 BJT 晶體管和一個檢測電阻器 (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 PLC 側 ADC 的任何損壞。肖特基二極管 (D1) 保護發(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，當微控制器或 ADC 消耗超過 3mA 的電流或當傳感元件需要更高的電源電流以增加其動態(tài)范圍和/或分辨率時，就會發(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。這種設計使其成為通用的 2 線制或 3 線制智能傳感器變送器。

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

編輯：hfy