對于工業過程控制儀器，4-20 mA 電流回路被廣泛用于維持適當的電流，直至系統的電壓能力。電流回路的主要特性包括盡管互連線路中的電壓下降，但仍能保持信號的準確性，以及為設備提供工作電源的能力。

此參考設計展示了如何開發適用于工業過程控制和智能傳感器的高性能、高電壓 2 線或 3 線 4–20mA 電流回路變送器。提供錯誤分析和過熱特性數據以及硬件設計和軟件。

4-20mA 電流回路已廣泛用作工業應用中的模擬通信接口。它有助于將數據從遠程傳感器通過雙絞線傳輸到控制中心的可編程邏輯控制器 (PLC)。簡單、可靠的長距離數據傳輸、良好的抗噪性和低實施成本使該接口非常適合長期工業過程控制和遠程對象的自動監控。

不出所料，工業就像今天的所有電子應用一樣不斷發展。它有更嚴格的要求。對更高的精度、更低的功率、在 -40°C 至 +105°C 工業溫度范圍內的可靠運行、增加的安全性和系統保護以及數字高速公路可尋址遠程傳感器 (HART) 協議的實施提出了新的要求。總的來說，這些要求使得當今 4-20mA 電流回路的設計挑戰性。

*操作原理和關鍵設計參數*

我們首先關注新的參考設計。圖 1 中的框圖顯示了高性能、低功耗、4-20mA 電流環路發送器，它減少了組件數量并在性價比方面獲得了結果。

該參考設計使用低功耗、高性能組件，在 25°C 時提供低于 0.01% 的電流，在業界要求嚴苛的 4–20mA 電流環路的溫度范圍內提供低于 0.05% 的電流。該設計采用低功耗 16 位 DAC (U1) MAX5216；MAX9620，零漂移軌到軌輸入/輸出(RRIO)，高精度運算放大器(U2)；MAX6133，參考電壓（U3）；和 MAX15007，一個 40V 低靜態電流 LDO (U4)。

U3 電壓基準為 U1 提供低噪聲、5ppm/°C（值）的低溫漂移和的 2.500V。智能傳感器微控制器通過 3 線 SPI 總線命令 U1。U1 輸出由 Q1 功率 MOSFET、10Ω (±0.1%) 檢測電阻器 (RSENSE) 和 U2 分壓并轉換為環路電流。U1、U2 和 U3 設備由 U4 供電，U4 直接從回路供電。有一個由 Q2、一個 BJT 晶體管和一個檢測電阻器 (R6) 組成的限流電路。該電路將回路電流限制在大約 30mA，從而防止失控情況和對 PLC 側 ADC 的任何損壞。肖特基二極管 (D1) 保護發射器免受反向電流的影響。

誤差分析和性能優化

如果智能傳感器消耗的電流超過 3.4mA，則它不能用作回路供電 2 線制變送器的一部分。例如，當微控制器或 ADC 消耗超過 3mA 的電流或當傳感元件需要更高的電源電流以增加其動態范圍和/或分辨率時，就會發生這種情況。在這種情況下，額外的電流必須流過額外的第三根導線。這種稱為 3 線制變送器的配置可以修改，如圖 2 所示。這種設計使其成為通用的 2 線制或 3 線制智能傳感器變送器。

圖 2 中的 U5 運算放大器和 Q3 緩沖器檢測虛擬接地，持續保持智能傳感器的公共點，并將其保持在 U4 輸出的恒定電壓。U5 運算放大器必須能夠接受 12V 的電源電壓，并且 PLC RLOAD/檢測電阻值高達 250Ω。C8 和 R8 負反饋網絡可穩定環路電流并確保所有正常預期負載條件下的穩定性。