4-20 ma电流环原理分析

4-20 ma电流环原理分析

最近接触到的传感器比较多，大多数接口信号为4-20ma的电流信号。于是查了一些资料，并不是太理想。以下是参考了一些网上的观点，结合自己的理解，写的东西。有不对的地方还请各位提出来，大家互相学习共同进步。

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。

一般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，当然要产生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。当然变换过程中的关系别人不需要知道。但是自己得知道，上学期在做测量PH值信号好离子浓度信号的电路时我就是把中间的关系一步一步推出来，这样才能知道4ma的电流对应的物理量是多上，20ma的信号对应的物理量是多上。废话太多了，下面看看这个恒流源电路吧

这个电路叫郝兰德电路，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跟随器，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)。利用运放的虚短和虚断可以退出加在RL两端的电压是 V*RL*R2/R1/RS,因此流过RL的电流IL为V/RS*R2/R1,与负载无关。

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。

因此一般在处理器端对数据进行采集时，一般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,因此一般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。

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跟随器，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。