工业4-20mA采集电源和采集电流设计要点

1.前言

工厂自动化和控制系统中 4-20mA 电流回路的简单性和稳健性非常出色。它们甚至为现场变送器供电，后者转换测量值并相应地将回路中的电流设置为 4-20mA，然后模拟输入模块测量电流。

一般仪器仪表的信号电流都为4-20mA，指最小电流为4mA,最大电流为20mA 。

传输信号时候，要考虑到导线上也有电阻，如果用电压传输则会在导线上产生一定的压降，那接收端的信号就会产生一定的误差了，所以使用电流信号作为变送器的标准传输。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。

2. 4-20mA采集

测量 4-20mA 回路电流非常简单。回路电流流过负载电阻器，负载电阻器上产生的压降通常由 delta-sigma 转换器转换为数字电压。尽管如此，仔细研究负载电阻器、模拟前端 (AFE) 和模数转换器 (ADC) 的要求还是值得的。

出于多种原因，优选具有低电阻的负载。从系统的角度来看，模块输入端的压降应尽可能小，以保持 4-20mA 回路其余部分的电压储备。此外，负载的功耗降低（P = I 2R)。这导致负载的自热减少，从而实现更小的封装和更高的通道密度，这在多通道模块中尤为重要。输入的性能高度依赖于绝对精度和负载的温度漂移。电阻下限的限制是转换器的负担和分辨率的成本。现代 delta-sigma 转换器（例如新的 ADS124S08）提供了足够的性能来应对负载两端的较低压降，而无需在 ADC 前进行任何有源信号调节。我们甚至可以绕过内置的可编程增益放大器 (PGA)。图 1显示了 ADS124S06/8 的框图。 

图 1：ADS124S08 框图

我们必须针对工业系统中的浪涌和接线错误采取保护措施。对于短时间/高能量浪涌，放置在输入和地之间的双向瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管是一种常见的设计技术。该二极管在其击穿电压以上导电，并将浪涌电压降低到可接受的水平。但是，击穿电压必须高于场电源电压，这可能会意外连接到输入端，以避免永久性和致命的过应力。在这种情况下，电流将流过负载，远远超过其最大额定值。过流限制器的最简单方法是使用保险丝或正温度系数 (PTC) 电阻器。不过，PTC 在正常操作期间会增加一些阻力。

我们可以堆叠两个或多个模拟电流输入，以冗余测量高可用性和安全相关应用中的关键信号。在这种情况下，模拟量输入模块必须是单通道或通道间隔离的模块。即使模拟输入模块（或隔离通道）面临断电或损坏，4-20mA 回路电流也必须能够不受阻碍地流过负载电阻器。图 2显示了具有两个独立模拟输入模块的示例。

工业4-20mA采集电源和采集电流设计要点

图 2：堆叠模拟输入模块

一个常见的要求是抑制到达转换器的电源频率纹波的 50/60Hz 抑制。ADS124S08 在 delta-sigma 调制器之后的数字滤波器中集成了此功能。如果 10Hz 的模拟带宽就足够了，那么数据速率设置为 20SPS 的有限脉冲响应 (FIR) 型滤波器可以同时抑制 50Hz 和 60Hz。

4-20mA 回路只能以相对较低的带宽将单个传感器值从变送器传输到 PLC。如果需要提高速度的双向通信，则在顶部添加公路可寻址远程传感器 (HART) 协议。出站数据（从 PLC 到传感器发射器）是电压调制的，而入站数据是电流调制的。输入模块接收到的 HART 信号在负载电阻处耦合输出，并由专用 HART 调制解调器或微控制器单独处理。

除了测量 4-20mA 回路电流之外，我们还必须考虑其他方面，例如保护、用例和抑制不需要的频率。