工業(yè)上廣泛采用4-20mA電流信號來傳輸模擬量,，例如溫度,、壓力、液位等傳感器信號,。采用電流信號不容易受干擾,，且導線電阻串聯(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,。兩線制4-20mA變送器輸出上限電流取20mA是因為防爆的要求,，20mA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斷線：兩線制4-20mA壓力變送器輸出正常工作時不會低于4mA,，當傳輸線因故障斷路,，環(huán)路電流降為0。實踐中,，常取2mA作為斷線報警值,。

兩線制4-20mA變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號輸出，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于一個特殊的負載，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)標準下限為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計成為可能,。在工業(yè)應用中，壓力,、溫度,、液位等測量點一般在現(xiàn)場,，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能長達數(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計根本原則之一,。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)化為電測量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱電信號進行放大,、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)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流,；同時從環(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,，電路中每個部分都有其自身的耗電電流,，兩線制變送器的核心設計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計難點。

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計上需要考慮一定的保護和增強穩(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,，電源接反是設備安裝接線時最容易發(fā)生的錯誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時損壞電路,。如果輸入端加一個全橋整流器,，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電壓值取比運放極限電壓略低,，才能起到保護作用,。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帶來一定誤差。設備運行過程中可能有傳感器斷線,、短路等錯誤情況發(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計中,，我們可以采用集成電路AD421芯片來設計，這可以輕易實現(xiàn)一個16位的DA輸出電路,，但是經(jīng)濟成本很高,，在很多的高性價比的傳感器應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,，那么，為何不用單片機的PWM輸出來做一個DA呢,？實踐表明,，采用MCU來實現(xiàn)高精度的DA完全可行，單片機的PWM可以通過定時器來產(chǎn)生,，然后經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換電路,，可以實現(xiàn)一個隔離的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用，利用該電路設計的隔離的4-20mA或者是1-5V的變換電路,，完全可以達到0.5‰的精度,，同時電路成本適宜。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)過一個門電路來整形,。然后經(jīng)過兩個一階濾波電路得到一個直流電平信號,。改信號經(jīng)過運放和反饋回來的信號做一個比較，產(chǎn)生一個控制電平來控制達林頓接法的三極管,。輸出部分可以選擇4-20mA或者是1-5V輸出,。

在實際應用中，如果要達到更高的輸出精度,，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IC等,。實際應用中發(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，采用低溫飄的運放來控制,。通過該電路,，完全可以做到14位以上的精度的模擬信號輸出。本文源自澤天傳感,，版權(quán)所有,，轉(zhuǎn)載請保留出處。