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4-20mA是常见的工业模拟信号,主要用于传输变送器/传感器的测量数据以及泵阀的控制信号。为什么工业现场会使用4-20mA?首先在工业现场,要完成信号的调理并进行长线传输,会产生以下问题:
第一,如果传输的信号是电压信号,传输线会受到来自现场的各种噪声的干扰;
第二,由于采样端并非绝对高阻,以及传输线的存在线阻,会导致传输压降产生;
采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V,但是噪声的功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的误差非常小;电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,因此在普通双绞线上可以传输数百米;由于电流源的大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0-5V的电压,低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。
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。
为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢?很简单,如果0是最小,那么开路故障就检测不到了!
对于两线制仪表来说,只有两根线,一根是电源线,一根信号线,环路工作电流一般为3.5mA,即环路内的器件总电流不大于3.5mA,最大电流小于24mA。
对于三线制仪表来说,分为电源、信号线、GND,常见传输方式为信号线和GND,即常见的共地型三线制。
市场上常见的4-20mA产生电路,多为运放方案,以下为常见的三线制工业模拟接口运放电路介绍。
用户常见三线制电路一:
该电路为常见的HOWLAND结构,输出精度高,带载能力好。
用户常见三线制电路二:
该电路为常见的反馈型结构,使用仪放结构,可以有效提升反馈部分的共模抑制比。
用户常见三线制电路三:
用户常见的三线制电路四:
下面是上海先积集成(原上海客益电子团队)推出的高性能、低成本、外围简洁的三线制应用芯片:
LTS110:分为LTS110CMH(温漂50ppm)和LTS110BMH(温漂10ppm)两个版本,为上海先积首创,主要针对电路复杂的运放方案进行替代,可以在提高电路性能的同时减少客户bom元器件的数量。如下是LTS110电路及相关参数:
l 外围精简、LTS110封装为MSOP10
l 工作电压:8-36V
l 预留HART接口(XTR111不支持HART功能)
l 外扩三极管散热
l 线性度两点校正4-20mA小于0.02%
l 电压系数<0.01%
l 负载(0-1000Ω@24V)系数<0.01%
l 内置基准(buffer后使用,温度系数小于20ppm)该基准可以用于传感器的ADC量化使用,DAC的基准(PWM积分的level-shift参照电平)
l 工作温度:-45℃-125℃
附: 下图为常见的PWM积分电路供参考:
该电路为PWM电平转换及RC一阶滤波及二阶Sallen-Key滤波电路。
L7805CV-DG/线性稳压器(LDO) | 0.5026 | |
AMS1117-3.3/线性稳压器(LDO) | 0.1237 | |
BAT54C,215/肖特基二极管 | 0.0325 | |
LM358DR2G/运算放大器 | 0.35 | |
CJ431/电压基准芯片 | 0.1237 | |
LM393DR2G/比较器 | 0.3582 | |
ADUM4160BRWZ-RL/隔离式USB芯片 | 23.39 | |
REF3012AIDBZR/电压基准芯片 | 0.9006 | |
SS8050/三极管(BJT) | 0.0345 | |
8S005/锡膏/锡浆 | 16.59 |
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