4~20mA输出工作原理

4~20mA工作原理。及超过20mA电流需求的解决办法。

4~20mA 电流环工作原理

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下 问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传 输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也 是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对 噪声并不敏感。4～20mA 的电流环便是用 4mA 表示零信号，用 20mA 表示信号的 满刻度，而低于 4mA 高于 20mA 的信号用于各种故障的报警。

4～20mA 电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现 场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里 XTR 位于监控的系统端， 由系统直接向 XTR 供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统 是 XTR 和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用 4～ 20mA 的电流环向远端的 XTR 供电，通过 4～20mA 来反映信号的大小。

4～20mA 产品的典型应用是传感和测量应用，见图 1。在工业现场有许多种类的 传感器可以被转换成 4～20mA 的电流信号，TI 拥有一些很方便的用于 RTD 和电 桥的变送器芯片。由于 TI 的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、 电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号 转化为 4～20mA 的信号。

图 1 (略)

电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥 每条臂上的电阻为 2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效 电阻都是 2k 。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为 0。当施加 压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大 小。

满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存 在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的 变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。

4～20mA 的传感器信号调理解决方案

4～20mA 电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场 端、传感器端或模块端，而接收器一般在 PLC 和计算机端，它一般在控制器内。

二线制 4～20mA 电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端 提供。为了避免 50/60Hz 的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考 虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥

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有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。

二线制方案设计需要考虑：

（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；

（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；

（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。

图 2 (略)

图 2 为 TI 提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中 XTR115/116 是用 于 4～20mA 信号的精密的信号转换器，它包含有 5V 电压的稳压电路，可以向外 部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。

三线制 4～20mA 电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免 50/60Hz 的工 频干扰，采用电流来传输信号。XTR 调节器和现场的负载共用一个地接。方案设 计需要考虑：

（1）电流环路中的接收器的数量；

（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；

（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。

TI 提供的三线制的变送器应用方案如图 3 所示，图中 XTR110 是一个用于模拟信 号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将 0～5V 或 0～10V 的输入电压直接转 换到 4～20mA、0～20mA、5～25mA 的输出信号。XTR110 含有精密的电阻网络， 以适应不同的输入输出要求。一个 10V 的电压参考可以用于驱动外部电路。

图 3(略)

4～20mA 的校正

传统的 4～20mA 校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整， 而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数 和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。

现代的数字化 4～20mA 校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可 通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很 好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器 可以很方便地调整。

XTR108 是 TI 提供的校正 4～20mA 的解决方法。它具有 480 A 的电流参考，它提

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供 RTD 的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108 的特点

有：

（1）具有传感器的线性化电路；

（2）数字校正。通过 SPI 接口可以直接对 XTR108 设置，通过 SPI 接口可直接编 程 EEPROM；

（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为 6.26～400 倍；

（4）RTD 激励的可编程电流的分辨率为 1.54 A；

（5）校正参数存储在外接的 EEPROM 中；

（6）可编程的过量程和欠量程的输出。

此外，TI 还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——PGA309，它是专为压 力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色 调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并 将输出电压信号转换成 4～20mA 的输出。

问答选编

问：电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不 同？

答：霍尔传感器是传感器件，而电流变送器是将传 感器产生的信号直接转换为 4~20mA 的电流信 号进行传输，因此它们两个一个是传感器，另一 个是电流变 送器。

问：4~20mA 信号是否存在温漂？如何解决？

答：实际上，4~20mA 信号内部是用集成电路芯片来 制作的。集成电路芯片随着 温度的变化在遇到 放大器、电压到电流的转换时，会存在温漂，但 这种温漂如 果在 TI 的 PGA309 中则是可以解决的， 因为 PGA309 中采用的是零漂移的仪表放 大器作 为前置放大，同时 PGA309 中还有温度的校准，它 是每采集一个温度点 来查表，进行温度满度或色 调电压的校准，从而解决温度的漂移问题。

问：应该采取哪些措施实现 4～20mA 变送器的信号 隔离？

答：对 4~20mA 变送器的安全隔离可以有两种方法： 一是变送器端的隔离，一是 接收端的隔离。现 在若有 24V 电压供给一个 XTR115 的芯片，XTR115 内部可以 将 24V 电压直接转换为一个 5V 稳压电 压输出，对这个 5V 的稳压电压进行展波， 经过一 个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电 源，然后再把模拟信号转 换成数字信号，再经过 一个隔离以后再提供给 XTR115，再进行长线传 输， 这 个时候就完成了模拟信号到 4~20mA 环路 里面的隔离。如果对 4~20mA 变送器不 进行隔 离的话，也可以在接收端加一个 RCV420 将电流 转换成电压，再经过一

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个 ISO124 隔离放大器进行 隔离，同时再经过一个 DC/AC 转换器向电路进 行退 电供电，这样也能完成对 4～20mA 变送器 信号的隔离。

问：变送器传输过来的信号应该怎么处理？是不是 先要经过电流到电压的变化 然后再到 ADC？对 ADC 的选择有什么特殊的考虑？

答：变送器传输的信号主要是一个电流信号，如果要 采集它，一般要经过电 流到电压的转换，这个 TI 有一个 RCV420 可以实现转换。对于 ADC 的选 择， 主要根据对信号精度的要求来考虑。

问：接收二线制 4~20mA 信号与三线制 4~20mA 信 号，在接收方式和信号处理上 有何不同？要注 意些什么问题？

答：在接收方式上，如果是二线制 4~20mA 信号，由 接收端向 SPI 端提供电源， 通过电源线经过 4~20mA 信号线来提供电源。三线制 4～20mA 信号是由 发生端 （SPI）来提供电源的，所以说它们提供的 电源是不同的，一个是由接收端而另 一个是从远 端来提供电源的。

它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压 信号，然后再经过 AD 转换器，这 时候就牵扯到 一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般 在工业上，它们 会加一个推电器，就是在接收端 同时提供一个 24V 的电源，通过 4~20mA 电流线 向远端进行供电。

问：现在市场上的变送器是否有数字输出接口？比 如 RS-485 或者 RS-232？ 答：现在市场上的变送器通常用标准的 485 或 232 通 讯接口来传输，这个产品 其实早在 10 年前就有 了，它们把现场的信号模拟成传感器的信号，直 接传数 字量，然后经过 485 进行传输，这是比较 多的。如果你是用 TI 的芯片，比如MSC12XX，它 内置的 8052\8952 里面带 16 位或 24 位 AD 转换 器及通信接口输出，如果用它来做的话，很容易 把它做成一个 485 或 232 通信接口的数字变送 器芯 片。如果希望在RS485接口双绞线上实现类似4~20mA的自供电，可以采用PWBS331芯片实现在既有的RS485485网络上为从站设备输电，从而省略本地供电环节（AC/DC适配器，或者电池等）

问：在 4~20mA 变送器的信号传输过程中，如何有效 地防止各类电磁、过电压对 于接收装置造成的干 扰？在系统故障状态，是否具有事故信息追忆功 能？

答：如果有电磁干扰，首先说电磁的发射，当传感器 接入的时候，如果具有很 高的输入阻抗的时候， 有可能产生电磁干扰，可以加一些电阻电容进行 滤波， TI 在这方面有一些应用电路的介绍可供大 家参考。过电压的时候，4~20mA 的长 线输出的 时候，可以借助 36V 的稳压块来进行过电压保 护，如果极性接反的时 候，可以在输入回路里加 一个整流桥堆来对极性进行调整。

问：如何将接收端的电流转换成电压以便于 ADC 转 换？主要是精度方面，是

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否 能给一个具体例子？

答：如果将 4~20mA 电流转换成电压再经过 ADC 转 换时，TI 有一个专用芯片 RCV420，它里面采用的 是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运 算放大器

和一个精密的基准电压器，即 10V 的基 准电压，这个 10V 基准电压大概是 5 个 或 10 个 TTN 的温度系数，用这个片子就可以很精确地 将前面的 4~20mA 电流转 换成一个电压输出了。

问：有没有串行接口出来就是4~20mA？最好能出来 0~20mA，类似于ADI的

AD420， 但 AD420 太贵， 而且外围东西太多。或者美信也有类似产品，都不便宜。

答：也可以用 TI 的产品来完成这个功能。用一个 XTR110，它是一个很廉价的电 压到电流的转换， 前面或者用一个 DA 转换器，或者用一个 PWM 的信号来完成 DA 转换。将 FSK 信号直接经过 一个电阻接到 XTR115 的输入端，这样就可以满 足 HART 协议来替换 AD420，这时的成本应该是 很低的，应用也很方便。

问：使用 4~20mA 变送器时，是否需要通过控制器对 其进行编程？

答：TI 变送器电流环有几类产品，有的可以通过控 制器进行编程校正，也有的 可以通过模拟的、通 过外部设置来进行校正。

问：如何用 PWM 信号控制 4～20mA 电流？

答：用 PWM 信号控制 4～20mA 电流很常用，通常采 用一个单片机放在前面对传 感器进行测量，测 量好后把模拟信号转换成数字信号，但是它内 部不包含 DA 转换器，它是用一个 PWM 信号来输 出。像 TI 的 XTR115 芯片，它包含一个典型 电路： 把 PWM 信号经整流滤波后直接输出一个 4~20mA 的信号。因此直接使用

TI 的 XTR115 或 XTR116 即 可完成电路的控制。

问：是否有办法从 4~20mA 线缆中取电，同时又不影 响模拟信号的转换和采 集结果？

答：如果是二线制的时候，因为是通过电源来向远端 的 SPI 芯片来进行供电的， 若采用的是 XTR115 或 其他 XTR 芯片，可以把 24V 电源转换成一个稳压 电源的 信号，一般都是 5.1V 的信号，使用 5.1V 的 信号对前面的芯片进行供电，这时 候应该没有这 种问题。TI 的 XTR 芯片专门考虑了这个问题， 所以在芯片内部 提供了一组稳压电源来提供前 面的电路供电，而不会影响模拟信号的转换和采 集结果。

问：如果4~20mA无法满足终端仪表的供电能力怎么办？

如果仪表自身带有UART通讯口，可以采用PWBS331芯片将UART扩展为RS485接口让后在双绞线或平行线上实现通讯和供电，供电能力大于20ma，可以为大功耗的仪表实现自供电并通讯。

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