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。 

　　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。 

编辑本段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。

0~10V转换为4~20mA电路分析

信老师，您好！

我是机械电子专业的学生，正在做“电流转换电路”的设计，0~10V转换为4~20mA，我遇到了很大的问题，就是不会推导输入电压和输出电流的关系式，我附上了题目和相关的图，您能就以下两个思考题帮我分析一下么？然后给我回复。我在中华工控网也给您回帖了！

万分感谢，有机会来北京我请您吃饭，呵呵！

[附题]

简要说明：

    为提高抗干扰能力，模拟信号经常采用4~20mA电流信号进行远距离传输。本电路的功能是将0~10V的输入电压信号ui转换成4~20mA的电流信号Io供长距离传输用。

思考题：

    1．电路中电位器W1、W2和W3的作用各是什么？怎样相互配合调整才能使输出范围为4~20mA。

    2．图中第2级放大器的增益应如何计算？（难点）

回答：

1，              首先说明，按照你提供的参数是不能正常工作的！

2，              N1在输入10V时会反相饱和导通。原因是你在抄袭电路时，将R2，W1的阻值搞错了。

3，              第1级N1是反相衰减是放大器，应该将输入的0～10V电压信号变成负0～1.6V的信号。增益A=-(RF/Rf)Ui

            RF=R2+W1=1.5KΩ+200Ω

            Rf=R1=10KΩ

此时    A=-（1.6/10）Ui=0.16(0~10V)=0~1.6

4, 第2级N2是反相加法器，在接受前级输入的-0~1.6V同时与零点基准电压W2取来的-4V电压相加后，再与反馈电压VR11(0.4~2V)比较取得平衡，从而达到稳定输出电流的目的。

加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：

    Eo=-[Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Rf2)]

式中    Eo    输出电压

        Vi1   前级来的信号电压（-0～1.6V）

        Vi2   系统零点基准调节电压（-4V）

        RF   加法器反馈电阻（10KΩ+600Ω）

        Rf1   前级信号输入电阻（10KΩ）

        Rf2   基准调节电压信号的输入电阻（100KΩ）

由于后一级电路要求，反相加法放大器是一个1：1的加法电路。所以

     Eo=-[Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Rf2)]

       =-[Vi1(10.6/10)+Vi2(10.6/100)]

       =-[0~1.6(1~1.06)+4(0.1~0.106)]

       =-[0~(1.6~1.696)+(0.4~0.424)]

        =-0.4~(2~2.12)V

反馈电压VR11=（4～20mA）100Ω=0.4~2V

A,首先调整W2，使输入信号在0时，输出信号为4mA。最好精确测量W2的调节输出为4V。

B,再输入10V信号，调节W1使输出信号为20mA。

C,再将输入信号降为0，观察输出信号是否回到4mA。如果偏离4mA,可微调W3使输出为4mA。

D,重复B,C,直到输入0～10V，输出4～20mA即可。

所以，W1=量程满度电位器；W2=零点调节电位器；W3=校正电位器。

不知道这样回答能否使你满意？

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0~5V/4~20mA电压电流转换典型电路

希望对大家的学习有点儿促进作用!

实际应用时,可以在0~5V输入端并一只10K电阻,可以解决部分网友发生输出不可调整的问题.

零点调整电位器上端至电源间的100K电阻换成51K即可.

http://bbs.gkong.com/dispbbs.asp?Boardid=9&ID=93033

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4-20 mA电流环原理分析 

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一般传感器会把一个物理信号利用电桥等转化为与之对应的电信号，比如电压或电流。下面以一个恒流源电路来分析电压信号怎么产生与负载无关的电流信号，当然要产生4-20mA的电流信号，则把电压信号利用放大电路进行变换之后肯定是能做到的。如果传感器直接出来的是电流信号，则可以先变为电压信号，再经过信号调理电路肯定还能转换到4-20mA的电流信号。当然变换过程中的关系别人不需要知道。但是自己得知道，这样才能知道4mA的电流对应的物理量是多少，20mA的信号对应的物理量是多上少。

下图是郝兰德电路，是典型的电压电流转换电路。

其特点是负载电阻有一端接地(恒流源通常有这个要求)，而取样电阻两端均不接地。之所以能够实现这个要求，关键就是上面一个运放和电阻的匹配。上面一个运放显然是跟随器，其输入阻抗很高，可以看成开路，其输出阻抗很低，可以看成电压源，而电位与Rs右端相同。这样就避免了R2中电流对输出的影响(R2不从输出端取用电流)。

由运放虚短概念可知，

V2=V1,V5=V4

V3=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

采样电阻RS两端的电压为：V4-V3= V*(R2/R1)

流过RS的电流为：(V*(R2/R1))/RS，其大小与负载电阻RL无关，受输入电压V控制。

 因此一般在处理器端对数据进行采集时，一般是把电流信号转化为电压信号，再用ADC来处理。对于精度不高的场合可以就直接接一个250欧姆的精密电阻，转化为1-5V的信号。如果精度要求高的话可以先用运放来处理再用ADC采集。下面是几种恒流源电路。

所谓环的概念，它要出去两根线进行传输，到达处理器之后要接上负载电阻，以供AD采样。正好构成一个环状。

电流环通信原理

比较古老的通信方式，RS232通信的资料一大堆就不多说了。

20mA电流环路串行接口也是一种应用较广的接口电路,其串行通信接口电路如图所示,由于其没有形成正式标准,因此一般计算机的数据传送设备不具有这种接口。但其接口电路简单,发送正、发送负、接收正、接收负四根线分别组成了输入电流回路和输出电流回路。在发送数据时,根据数据的逻辑1和逻辑0来有规律的使回路形成通、断状态（图中用开关示意电流的有无）。电流环串行通信接口的最大优点是低阻抗传输线对电气噪声不敏感,而且易实现光电隔离,且传输距离很长。

分析一个大家接触得较多的电路。很多控制器接受来自各种检测仪表的0~20mA或4~20mA电流，电路将此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样100Ω电阻R1，在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过R3和R5的电流相等，流过R2和R4的电流相等。故： (V2-Vy)/R3 = Vy/R5 ……a (V1-Vx)/R2 = (Vx-Vout)/R4 ……b 由虚短知： Vx = Vy ……c 电流从0~20mA变化，则V1 = V2 + (0.4~2) ……d 由cd式代入b式得(V2 + (0.4~2)-Vy)/R2 = (Vy-Vout)/R4 ……e 如果R3=R2，R4=R5，则由e-a得Vout = -(0.4~2)R4/R2 ……f 图九中R4/R2=22k/10k=2.2，则f式Vout = -(0.88~4.4)V，即是说，将4~20mA电流转换成了-0.88 ~ -4.4V电压，此电压可以送ADC去处理。  

电流可以转换成电压，电压也可以转换成电流。图十就是这样一个电路。上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射结，大家可不要以为是一个比较器就是了。只要是放大电路，虚短虚断的规律仍然是符合的！ 

由虚断知，运放输入端没有电流流过， 

则                (Vi – V1)/R2 = (V1 – V4)/R6  ……a 

同理            (V3 – V2)/R5 = V2/R4        ……b 

由虚短知    V1 = V2    ……c 

如果R2=R6，R4=R5，则由abc式得V3-V4=Vi 

上式说明R7两端的电压和输入电压Vi相等，则通过R7的电流I=Vi/R7，如果负载RL<<100KΩ，则通过Rl和通过R7的电流基本相同。 

三极管Q1 2N2219的作用：扩展运放输出电流，因为op1不能输出20mA这么大的电流。该三极管可以与运放合并，看成一个放大器。