工业DC电压电流信号传送器的设计和应用（集成电路AM462原理及应用）

    模拟工控网上用的4-20 mA 标准电流信号是工业上最常用的信号传输方法之一。本文将介绍二线制方式的标准电流输出为4-20mA 的变送电路。通过对集成电路AM462（电压电流转换变送电路）的应用举例，介绍了如何实现工业上常用的二线制变送接口电路，而它可以为程控机PLC 等直接传输信息。针对不同的控制设备，介绍了相应的电路元器件的计算方法。
    注意：下面的介绍对于AMG 公司生产的所有电压电流转换集成电路（AM400, AM402,AM422, AM442, AM460）原则上都是适用的[1]。

模拟电路接口
    工业上通常用电压0-5(10)V 或电流0(4)-20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。

电压信号传输 比如0-5(10)V
    如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器OP 来做接收方的输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于 <1MΩ 。原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起很明显的误差。所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。

电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号0-5(10)V 的。

电流信号传输 比如0(4)-20mA
    在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，多年来人们比较喜欢使用标准的电流来传输信号。
    如果一个电流源作为发送电路，它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关，也就是说，电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。同电压信号传输的方法正相反，由于接收电路低的输入阻抗和对地悬浮的电流源（电流源的实际输出阻抗与接收电路的输入阻抗形成并联回路）使得电磁干扰对电流信号的传输不会产生大的影响。

电流信号传输的结论：如果考虑到有电磁干扰比如电焊设备和其他信号发射设备，传输距离又必须很长，那么电流信号传输的方法是适合这种情况的（模拟信号传输）。实际上经常采用的电流传输方法有二线制和三线制方法。由于二线制的重要意义，在这里将主要论述二线制方法，也叫电流回路方法。

电流回路的综合特性

•  简单的使用：如果信号发送电路和相联接的其他电路的工作电流保持常数不变，那么该工作电流和信号电流就可以通过同一根电缆来传输。人们只需用一个负载取样电阻，而电流在负载电阻上的电压降就可以作为有用的信号。当然还应该注意工作电压要足够高，以满足电流回路里所需要的电压降。
•  低廉的成本：与数字信号传输需要一个AD 转换，一个单片机和一个合适的驱动电路相比，用简单的电流回路方法，人们只需要一条电缆，一个负载电阻和一个测量电压表。特别当对测量精度要求高的时候，二者产品成本的差别就更加明显了。
•  错误诊断：4-20mA 电流信号传输的优点除了传输距离远和抗干扰能力强外，还会自动提供出错信息。在一个经过校准的系统输出零信号时（输出端为电流4mA），如果接收到的信号大于零毫安而小于4 毫安时，就说明此时系统一定有问题。如果接收到的电流信号为零，那么一定是电缆断了或者信号接收方面出了问题。如果电流信号超过20mA 就意味着输入端方面的信号过载或者信号接收方面有问题。
•  长距离传输：传输距离与发送信号端的驱动能力和电缆的电阻以及接收端的测量电阻（负载电阻）有关。如果在信号传输的电缆中也要安装测量仪表，那么负载电阻还应该考虑到测量仪表的输入阻抗和监测记录仪表的输入阻抗。这些仪表常常因为成本低廉和无需外加电源而与集成电路一样共同连接在电流回路中并从4mA 中直接获得工作电源。因此在电路设计时要考虑到电流源回路的带载能力。

二线制电流信号传输
    最简单的情况就是一个可调的电流源和电阻组成的电流信号发送方和接收方（从负载电阻处接收信号），见图1。
 
    在图1 中对发送方有一个假定，就是它应该产生一个与测量值相关的所希望的信号电流I_OUT = 4-20mA。电阻R_L 作为接收方，可以测量它上面的电压降V_A 或者直接测量串联在电路里的电流表得到I_OUT。实际上发送方常常由很多功能电路组合在一起的。在传感器领域内，发送方常作为信号测量转换器，包含有传感器，给传感器供电的工作电源和一个电流源（图2）。电流源回路除了可以变送测量信号外还可以作为隔离放大器用于PWM调制脉宽信号的输出级，或者简单地作为电压输出的信号源。
 
图2：完整的电流信号变送电路
    通常传感器信号或PWM调制脉宽信号是从零到一个满度值（FS）变化，那么对于电压控制的电流源就必须能够生成一个零点为4mA 和满度值为20mA 的电流信号（差值为16 mA）。在工业控制中，控制设备（控制室）常常同测量信号变送电路有较远的距离。如果把电源线同时也用作信号传输线，一共只用二根导线就可以进行信号传输，那么成本就会下降，电路就会更简单合理，这就是所谓的二线制电流传输方法。
 
图3：二线制的应用电路
    如图3 所示，人们提供一个来自控制设备（控制室）的工作电源，它可以同时给多个变送电路提供电源。

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