电流环工作原理

电流环工作原理

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。

4~20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，普通采用

三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二

线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，普通是接收端利用4、20mA的电流环向远端的XTR供电，

通过4'20mA来反映信号的大小。

4、20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4'20mA的电流

信号，TI拥有一些很方便的用于RTD用电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、

电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4、20mA的信号。

电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k,那末无论从

激励电压端或者差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0.当

施加压力付，由于电桥失衡，会产生一人差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。

满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会

随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。

4、20mA的传感器信号调理解决方案

4~20mA电流环在结构上由两部份即变送器和接收器组成，变送器普通位于现场端、传感器端或者模块端，而接收器

一般在PLC和计算机端，它普通在控制器内。

二线制4、20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60HZ的工频干扰，

采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥

有一个较低的工作电源电压。此外一种考虑是降低徊路电流在接收端的压降。

二线制方案设计需要考虑：

(1)电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；(2)变送器所必需的工作电压要有

一定的余量；

(3)决定传感器的激励方法是电压还是电流。

图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4、20mA信号的精密的信号转换

器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。

三线制4、20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60HZ的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR

调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：

(1)电流环路中的接收器的数量；

(2)更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；

(3)保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。

TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是•个用于摹拟信号传送的精密的电压•电流转换器，它

可以将0〜5V或者0'10V的输入电压直接转换到4、20mA、0、20mA、5~25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻

网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。

编辑本段4、20mA的校正传统的4、20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特殊的邀比或者手动电阻器调整，而调

整

是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方

便。

现代的数字化4、20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数

值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感

器可以很方便地调整。

XTR108是TI提供的校正夕20mA的解决方法。它具有480A的目流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加

可调电阻器。XTR108的特点有：

(1)具有传感器的线性化电路；

(2)数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；

(3)自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26'400倍；

(4)RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54A：

(5)校正参数存储在外接的EEPROM中；

(6)可编程的过量程和欠量程的输出。

此外，T1还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案一一PGA309,它是专为压力桥路传感器设计的可

编程摹拟信号调节器。它摹拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调

整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4~20mA的输出。

O^IOV转换为4~20mA电路分析

信老师，您好！

我是机械电子专业的学生，正在做“电流转换电路”的设计，-riOV转换为『20mA,我遇到了很大的问题，

就是不会推导输入电压和输出电流的关系式，我附上了题目和相关的图，您能就以下两个思量题帮我分析一

下么？然后给我回复。我在中华工控网也给您回帖了！

万分感谢，有机会来北京我请您吃饭，呵呵！

［附题］

简要说明：

为提高抗干扰能力，摹拟信号时常采用4"20mA电流信号进行远距离传输。本电路的功能是将010V

的输入电压信号ui转换成4〜20mA的电流信号Io供长距离传输用。

思量题：

1.电路中电位器阴、W2和W3的作用各是什么？怎样相互配合调整才干使输出范围为4~20mA。

2.图中第2级放大器的增益应如何计算？(难点)

回答:

1,首先说明，按照你提供的参数是不能正常工作的！

2,N1在输入10V时会反相饱和导通。原因是你在抄袭电路时，将R2,W1

的阻值搞错了。

3,第1级N1是反相衰减是放大器，应该将输入的OlOV电压信号变成负

0~l.6V的信号。增益A=-(Rl7Rf)Ui

RF=R2+W1=1.5KQ+200Q

Rf=Rl=10KQ

此时A=-(1.6/10)Ui=0.16(0"10V)=0"1.6

4,第2级N2是反相加法器，在接受前级输入的4)~L6V同时与零点基准电压W2取来的-型电压相加后，再

与反馈电压VRU(0.4~2V)比较取得平衡，从而达到稳定输出电流的目的。

加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：

Eo=-[Vi1(RF/Rfl)+Vi2(RF/Rf2)]

式中Eo输出电压

Vil前级来的信号电压6V)

Vi2系统零点基准调节电压(-4V)

RF加法器反馈电阻(10K。+600C)

Rfl前级信号输入电阻(10KQ)

Rf2基准调节电压信号的输入电阻(100K。)

由于后一级电路要求，反相加法放大器是一个1：1的加法电路。所以

Eo=-[Vil(RF/Rf1)+Vi2(RF/Rf2)]

=-[Vil(10.6/10)+Vi2(10.6/100)]

6(门.06)+4(0.TO.106)]

=-[0^(1.6~L696)+@4~0.424)]

=-0.4~(2~2.12)V

反馈电压VR11=(4~20mA)100C=0.4~2V

A,首先调整W2,使输入信号在0时，输出信号为4mA。最好精确测量W2的调节输出为4VO

B,再输入10V信号，调节晅使输出信号为20mA。

C,再将输入信号降为0,观察输出信号是否回到4mAo如果偏离4mA,可微调W3使输出为4mA。

D,重复B,C,直到输入0^10V,输出4~20mA即可。

所以，W1;量程满度电位器；W2二零点调节电位器；W3二校正电位器。

不知道这样回答能否使你满意？

0~5V/4~20mA电压电流转换典型电路

希翼对大家的学习有点儿促进作用！

实际应用时,可以在O~5V输入端并一只1OK电阻，可以解决部份网友发生输出不可调整的问题.

零点调整电位器上端至电源间的1OOK电阻换成51K即可.

http://bbs.gkong.com/dispbbs.asp?Boardid=9&ID=93033

4-20mA电流环原理分析

定阅

普通传感器会把一个物理信号利用电桥等转化为与之对应的电信号，比如电压或者电流。下面以一个恒流

源电路来分析电压信号怎么产生与负载无关的电流信号，固然要产生4-20mA的电流信号，则把电压信号

利用放大电路进行变换之后肯定是能做到的。如果传感器直接出来的是电流信号，则可以先变为电压信号,

再经过信号调理电路肯定还能转换到4-20mA的电流信号。固然变换过程中的关系别人不需要知道。但是

自己得知道，这样才干知道4mA的电流对应的物理量是多少，20mA的信号对应的物理量是多上少。

下图是郝兰德电路，是典型的电压电流转换电路。

其特点是负载电阻有一端接地(恒流源通常有这个要求)，而取样电阻两端均不接地。之所以能够实现这个

要求，关键就是上面一个运放和电阻的匹配。上面一个运放显然是尾随器，其输入阻抗很高，可以看成开

路，其输出阻抗很低，可以看成电压源，而电位与Rs右端相同。这样就避免了R2中电流对输出的影响(R2

不从输出端取用电流)。

由运放虚短概念可知，

V2=V1,V5=V4

V3=V2+(V2/R3)*R4->V3=V2*(1+R4/R3)=V1*(1+R4/R3)

V1=R1*(V5-V)/(R1+R2)+V->V5=V1*(1+R2/R1)-V*(R2/R1)

=V3-V*(R2/R1)=V4

采样电阻RS两端的电压为：V4-V3=V*(R2/R1)

流过RS的电流为：(V*(R2/R1))/RS,其大小与负载电阻RL无关，受输入电压V控制。

因此普通在处理器端对数据进行采集时，普通是把电流信号转化为电压信号，再用ADC来处理。对于精

度不高的场合可以就直接接一个250欧姆的精密电阻，转化为1-5V的信号。如果精度要求高的话可以先用

运放来处理再用ADC采集。下面是几种恒流源电路。

所谓环的概念，它要出去两根线进行传输，到达处理器之后要接上负载电阻，以供AD采样.正好构成一个

环状。

电流环通信原理

比较古老的通信方式，RS232通信的资料一大堆就不多说了。

20mA电流环路串行接口也是一种应用较广的接口电路，其串行通信接口电路如图所示,由于其没有形成正式

标准，因此普通计算机的数据传送设备不具有这种接口。但其接口电路简单，发送正、发送负、接收正、接

收负四根线分别组成为了输入电流回路和输出电流回路。在发送数据时，根据数据的逻辑1和逻辑0来有规

律的使回路形成通、断状态（图中用开关示意电流的有无）。电流环串行通信接口的最大优点是低阻抗传

输线对电气噪声不敏感，而且易实现光电隔离，且传输距离很长。

图220mA电通环路串打透信接口

VI

圜九

分析一个大家接触得较多的电路。不少控制器接受来自各种检测仪表的0~20mA或者4~20mA电流，电路将

此电流转换成电压后再送ADC转换成数字信号，图九就是这样一个典型电路。如图4~20mA电流流过采样

100Q电阻RL在R1上会产生0.4~2V的电压差。由虚断知，运放输入端没有电流流过，则流过R3和R5

的电流

相等，流过R2和R4的电流相等。

故：(V2-Vy)/R3=Vy/R5....a(Vl-Vx)/R2=(Vx-Vout)/R4....b由虚短

知：Vx=Vy……c电流从0~20mA变化，则VI=V2+(0.4~2)……d由cd式代入b式得

(V2+(0.4~2