工業(yè)上廣泛采用4-20mA電流信號(hào)來傳輸模擬量，例如溫度、壓力、液位等傳感器信號(hào)。采用電流信號(hào)不容易受干擾，且導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響傳感器精度，可以在普通雙絞線上傳輸數(shù)百米等優(yōu)點(diǎn)。兩線制4-20mA變送器輸出上限電流取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。兩線制4-20m變送器輸出下限沒有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線：兩線制4-20mA壓力變送器輸出正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。實(shí)踐中，常取2mA作為斷線報(bào)警值。

兩線制4-20mA變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)輸出，必然要有外部電源為其供電。4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4-20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化，顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接兩根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。在工業(yè)應(yīng)用中，壓力、溫度、液位等測(cè)量點(diǎn)一般在現(xiàn)場(chǎng)，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米。這樣可以降低傳輸線纜的成本。

兩線制變送器在原理上是利用了4-20mA信號(hào)為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器）不大于4mA。這是兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。從電路整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力、液位等物理量轉(zhuǎn)化為電測(cè)量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。除了V/I變換電路之外，電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于4mA，因此電路的低功耗成為主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

另外，處于穩(wěn)定性和安全性的考慮，工業(yè)環(huán)境下，環(huán)境惡劣對(duì)兩線制4-20mA變送器輸出可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計(jì)上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題，電源接反是設(shè)備安裝接線時(shí)最容易發(fā)生的錯(cuò)誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時(shí)損壞電路。如果輸入端加一個(gè)全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運(yùn)放極限電壓略低，才能起到保護(hù)作用。如果可能遭受雷擊，TVS可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會(huì)帶來一定誤差。設(shè)備運(yùn)行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯(cuò)誤情況發(fā)生。或者輸入量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會(huì)無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源或者二次顯示儀表。

在4-20mA的電流輸出的電路設(shè)計(jì)中，我們可以采用集成電路AD421芯片來設(shè)計(jì)，這可以輕易實(shí)現(xiàn)一個(gè)16位的DA輸出電路，但是經(jīng)濟(jì)成本很高，在很多的高性價(jià)比的傳感器應(yīng)用中用不上如此昂貴的芯片。

目前，很多的傳感器變送器儀表中都使用了單片機(jī)，那么，為何不用單片機(jī)的PWM輸出來做一個(gè)DA呢？實(shí)踐表明，采用MCU來實(shí)現(xiàn)高精度的DA完全可行，單片機(jī)的PWM可以通過定時(shí)器來產(chǎn)生，然后經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)隔離的DA輸出。下圖為一典型DA輸出電路：

該電路在澤天傳感的壓力、液位、溫度變送器中廣泛應(yīng)用，利用該電路設(shè)計(jì)的隔離的4-20mA或者是1-5V的變換電路，完全可以達(dá)到0.5‰的精度，同時(shí)電路成本適宜。如上圖，PWM經(jīng)過光耦隔離后，由于波形可能發(fā)生畸變，所以，經(jīng)過一個(gè)門電路來整形。然后經(jīng)過兩個(gè)一階濾波電路得到一個(gè)直流電平信號(hào)。改信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放和反饋回來的信號(hào)做一個(gè)比較，產(chǎn)生一個(gè)控制電平來控制達(dá)林頓接法的三極管。輸出部分可以選擇4-20mA或者是1-5V輸出。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果要達(dá)到更高的輸出精度，可以將穩(wěn)壓芯片更換成精度更好的基準(zhǔn)源。例如TI的LM285-2.5V（溫度系數(shù)小于20ppm），或者是更高溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)IC等。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，如果要取得比較好的溫漂，一階濾波處的電容最好采用鉭電容。同時(shí)，采用低溫飄的運(yùn)放來控制。通過該電路，完全可以做到14位以上的精度的模擬信號(hào)輸出。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。