知识学习一《4-20mA电流环通信》

        4-20mA电流环是一种相对古老的模拟通信方式，较现代数字通信方式。它的优点：1.不需要复杂的编码，解码工作，通信方式简单；2.由于电流环与生俱来的的抗干扰能力，在噪声环境复杂的工业现场具有很高的可靠性；3.具有比较可靠的故障诊断功能。

        因此，很多人认为此种通信和控制方式还会继续使用很多年。

        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。

        问题一：为什么上限设置为20mA?

                       基于安全、实用、功耗、成本的考虑，特别是要满足防爆的要求，20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。

        问题二：为什么下限设置为4mA，而不是0mA?

 

                       因为输出为4-20mA的变送器以两线制的居多，两线制即电源，负载串联在一起，没有公共点，一是变送器工作需要一个静态的工作电流，二是电流环的零点与机械零点不重合，可以识别断电和断线等故障。

        4-20mA电流环类型：

        1.四线制：两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器;

        2.三线制：电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器

        3.二线制： 4-20mA电流环本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器

         4-20mA电流环电路设计：

        1.使用分立器件松志的电压控制电流源电路。

下图为最简单的电压控制电流源实现形式，由运算放大器U1A，扩流MOSFET Q1，检流电阻R6构成一个典型的电流反馈电路结构，由电阻R6和运算放大器正向输入电压决定了电路输出电流的大小，即Io=Vi+/R6。

　　电路中的其他器件为起辅助作用，用于提高电路性能。如稳压二极管将12V输入电压再进一步进行降压稳压，电阻R2，R3用于限制VR1两端电压。D1给运算放大器提供一个负压，保证其最低输出可以下降到0V。D3、C2用来保护MOSFET，同时C2还可以防止MOSFET发生振荡。

　　细心的朋友可能已经发现，上面的电路存在一个问题，发送器的电流输出在高端，即发送器和接收器是不共地的。这在某些场合会存在问题。下图的电路通过增加一级电流转换电路，将电流源输出改为低端输出。

          2.专用集成芯片

          ADI公司的AD420/421系列，AD5410/5420系列，TI公司的XTR110系列     

         

如下图为AD5410/5420系列内部结构图，其实现原理与分立器件构成的电路相似，但由于单芯片集成了DAC、压控制电流源电路，为设计都提供了4~20mA电流环单芯片解决方便，大大简化了设计复杂度，提高电路的可靠性。

　　而下图所示为TI公司XTR111的内部结构框图，这种电路非常适合与传感器输出直接相连构成标准的4~20mA变送器。