模擬電路接口

工業(yè)上通常用電壓0-5(10)V 或電流0(4)-20mA 作為模擬信號(hào)傳輸的方法，也是被程控機(jī)經(jīng)常采用的一種方法。那么電壓和電流的傳輸方式有什么不同，什么時(shí)候采用什么方法，下面將對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

電壓信號(hào)傳輸 比如0-5(10)V

如果一個(gè)模擬電壓信號(hào)從發(fā)送點(diǎn)通過(guò)長(zhǎng)的電纜傳輸?shù)浇邮拯c(diǎn)，那么信號(hào)可能很容易失真。原因是電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)送電路的輸出阻抗，電纜的電阻以及接觸電阻形成了電壓降損失。由此造成的傳輸誤差就是接收電路的輸入偏置電流乘以上述各個(gè)電阻的和。如果信號(hào)接收電路的輸入阻抗是高阻的，那么由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計(jì)。要求不增加信號(hào)發(fā)送方的費(fèi)用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號(hào)接收電路有一個(gè)高的輸入阻抗。如果用運(yùn)算放大器OP 來(lái)做接收方的輸入放大器，就要考慮到此類(lèi)放大器的輸入阻抗通常是小于 <1MΩ 。原則上，高阻抗的電路特別是在放大電路的輸入端是很容易受到電磁干擾從而會(huì)引起很明顯的誤差。所以用電壓信號(hào)傳輸就必須在傳輸誤差和電磁干擾的影響之間尋找一個(gè)折中的方案。

電壓信號(hào)傳輸?shù)慕Y(jié)論：如果電磁干擾很小或者傳輸電纜長(zhǎng)度較短，一個(gè)合適的接收電路毫無(wú)疑問(wèn)是可以用來(lái)傳輸電壓信號(hào)0-5(10)V 的。

電流信號(hào)傳輸 比如0(4)-20mA

在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境和需要傳輸較遠(yuǎn)距離的情況下，多年來(lái)人們比較喜歡使用標(biāo)準(zhǔn)的電流來(lái)傳輸信號(hào)。

如果一個(gè)電流源作為發(fā)送電路，它提供的電流信號(hào)始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，電流信號(hào)的傳輸是不受硬件設(shè)備配置的影響的。同電壓信號(hào)傳輸?shù)姆椒ㄕ喾?，由于接收電路低的輸入阻抗和?duì)地懸浮的電流源（電流源的實(shí)際輸出阻抗與接收電路的輸入阻抗形成并聯(lián)回路）使得電磁干擾對(duì)電流信號(hào)的傳輸不會(huì)產(chǎn)生大的影響。

電流信號(hào)傳輸?shù)慕Y(jié)論：如果考慮到有電磁干擾比如電焊設(shè)備和其他信號(hào)發(fā)射設(shè)備，傳輸距離又必須很長(zhǎng)，那么電流信號(hào)傳輸?shù)姆椒ㄊ沁m合這種情況的（模擬信號(hào)傳輸）。實(shí)際上經(jīng)常采用的電流傳輸方法有二線制和三線制方法。由于二線制的重要意義，在這里將主要論述二線制方法，也叫電流回路方法。

電流回路的綜合特性

簡(jiǎn)單的使用：如果信號(hào)發(fā)送電路和相聯(lián)接的其他電路的工作電流保持常數(shù)不變，那么該工作電流和信號(hào)電流就可以通過(guò)同一根電纜來(lái)傳輸。人們只需用一個(gè)負(fù)載取樣電阻，而電流在負(fù)載電阻上的電壓降就可以作為有用的信號(hào)。當(dāng)然還應(yīng)該注意工作電壓要足夠高，以滿足電流回路里所需要的電壓降。

低廉的成本：與數(shù)字信號(hào)傳輸需要一個(gè)AD 轉(zhuǎn)換，一個(gè)單片機(jī)和一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電路相比，用簡(jiǎn)單的電流回路方法，人們只需要一條電纜，一個(gè)負(fù)載電阻和一個(gè)測(cè)量電壓表。特別當(dāng)對(duì)測(cè)量精度要求高的時(shí)候，二者產(chǎn)品成本的差別就更加明顯了。

錯(cuò)誤診斷：4-20mA 電流信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)除了傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)外，還會(huì)自動(dòng)提供出錯(cuò)信息。在一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的系統(tǒng)輸出零信號(hào)時(shí)（輸出端為電流4mA），如果接收到的信號(hào)大于零毫安而小于4 毫安時(shí)，就說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)一定有問(wèn)題。如果接收到的電流信號(hào)為零，那么一定是電纜斷了或者信號(hào)接收方面出了問(wèn)題。如果電流信號(hào)超過(guò)20mA 就意味著輸入端方面的信號(hào)過(guò)載或者信號(hào)接收方面有問(wèn)題。

長(zhǎng)距離傳輸：傳輸距離與發(fā)送信號(hào)端的驅(qū)動(dòng)能力和電纜的電阻以及接收端的測(cè)量電阻（負(fù)載電阻）有關(guān)。如果在信號(hào)傳輸?shù)碾娎|中也要安裝測(cè)量?jī)x表，那么負(fù)載電阻還應(yīng)該考慮到測(cè)量?jī)x表的輸入阻抗和監(jiān)測(cè)記錄儀表的輸入阻抗。這些儀表常常因?yàn)槌杀镜土蜔o(wú)需外加電源而與集成電路一樣共同連接在電流回路中并從4mA 中直接獲得工作電源。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到電流源回路的帶載能力。

二線制電流信號(hào)傳輸

最簡(jiǎn)單的情況就是一個(gè)可調(diào)的電流源和電阻組成的電流信號(hào)發(fā)送方和接收方（從負(fù)載電阻處接收信號(hào)），見(jiàn)圖1。

在圖1 中對(duì)發(fā)送方有一個(gè)假定，就是它應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)與測(cè)量值相關(guān)的所希望的信號(hào)電流IOUT = 4-20mA。電阻RL 作為接收方，可以測(cè)量它上面的電壓降VA 或者直接測(cè)量串聯(lián)在電路里的電流表得到IOUT。實(shí)際上發(fā)送方常常由很多功能電路組合在一起的。在傳感器領(lǐng)域內(nèi)，發(fā)送方常作為信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換器，包含有傳感器，給傳感器供電的工作電源和一個(gè)電流源（圖2）。電流源回路除了可以變送測(cè)量信號(hào)外還可以作為隔離放大器用于PWM調(diào)制脈寬信號(hào)的輸出級(jí)，或者簡(jiǎn)單地作為電壓輸出的信號(hào)源。

圖2：完整的電流信號(hào)變送電路

通常傳感器信號(hào)或PWM調(diào)制脈寬信號(hào)是從零到一個(gè)滿度值（FS）變化，那么對(duì)于電壓控制的電流源就必須能夠生成一個(gè)零點(diǎn)為4mA 和滿度值為20mA 的電流信號(hào)（差值為16 mA）。在工業(yè)控制中，控制設(shè)備（控制室）常常同測(cè)量信號(hào)變送電路有較遠(yuǎn)的距離。如果把電源線同時(shí)也用作信號(hào)傳輸線，一共只用二根導(dǎo)線就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，那么成本就會(huì)下降，電路就會(huì)更簡(jiǎn)單合理，這就是所謂的二線制電流傳輸方法。

圖3：二線制的應(yīng)用電路

如圖3 所示，人們提供一個(gè)來(lái)自控制設(shè)備（控制室）的工作電源，它可以同時(shí)給多個(gè)變送電路提供電源。

AM462-二線制的變送電路

本文描述的電壓控制的電流源是由Analog Microelectronics （AMG 公司）開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的AM462 專(zhuān)用集成電路，它的工作電源最大可達(dá)35 V。AM462 可以將測(cè)量的單端接地電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換變送成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電流輸出4…20mA（圖3）。為了能弄清AM462 轉(zhuǎn)換變送集成電路和它的一些附加功能，這里先介紹一下AM462 電路。

作為核心電路的AM462（圖4）是一個(gè)多級(jí)放大電路和一些其他功能電路以及保護(hù)電路所組成，它們都可以任意選用。這些以模塊形式組成的電路比如運(yùn)算放大器，電壓電流轉(zhuǎn)換，參考電壓源，參考電流源，可以通過(guò)外面電路連接組合使用也可以單獨(dú)使用（見(jiàn)圖5 和圖6）。

圖5：AM462 的二線制4-20mA 的應(yīng)用電路圖

下面簡(jiǎn)要介紹AM462 的各個(gè)功能模塊情況：

運(yùn)算放大器OP1 用來(lái)放大單端接地電壓信號(hào)（正信號(hào)），放大倍數(shù)可通過(guò)外接電阻來(lái)調(diào)整。

電壓電流轉(zhuǎn)換模塊提供一個(gè)電壓控制的電流信號(hào)到集成電路的輸出端，該信號(hào)直接控制外置的三極管并最終輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。由于功耗的原因?qū)⑷龢O管外置，在極性反接時(shí)一個(gè)附加的二極管起到保護(hù)作用。

AM462 上的參考電壓源可為外接電路比如傳感器，微處理器等提供工作電源，這樣也簡(jiǎn)化了二線制的電路。參考電壓源可提供5 到10V 的電壓并且可調(diào)。

附加的運(yùn)算放大器OP2 可用作為電壓源或電流源來(lái)使用，也可以為外接電路提供工作電源。OP2 的正輸入端是連接在內(nèi)置的固定電位VBG 上，這樣可以通過(guò)外面的二個(gè)電阻調(diào)整輸出的電壓或輸出的電流大小。

AM462 的參數(shù)計(jì)算和應(yīng)用舉例在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中有詳細(xì)介紹[1]。

AM462 具有很多保護(hù)功能，比如OP1 具有輸入信號(hào)過(guò)載保護(hù)功能。在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)，電流輸出級(jí)具有極性保護(hù)功能和輸出電流限制功能并保護(hù)三極管不被損壞。要注意在二線制方式中，一些附加的電流負(fù)載比如在圖6 中，OP2 的工作電流和集成電路本身的工作電流都被限制在4mA 之內(nèi)，就是說(shuō)系統(tǒng)的總工作電流（AM462 和所有外接的元器件）不能超過(guò)IOUTmin = 4mA，特別要考慮到環(huán)境對(duì)工作電流的影響比如環(huán)境溫度，它會(huì)使工作電流發(fā)生變化。

圖6：AM462 與測(cè)量電路（AM462 提供3.3V 工作電壓）

電流信號(hào)變送電路AM462 的實(shí)際應(yīng)用

圖6 是AM462 的電流信號(hào)變送電路的實(shí)際應(yīng)用電路圖。這里假定測(cè)量電路的工作電壓為3.3V，它由AM462 提供。GND 是變送電路所有元器件包括電流源在內(nèi)的一個(gè)虛擬的參考電位（虛地）。用于過(guò)壓保護(hù)的電容器和齊納二極管也是相對(duì)于GND 而言的。GND 通過(guò)負(fù)載電阻RL 與系統(tǒng)地Ground（大地）相連，它們之間的電位是不等的。

GND ≠ Ground

VCC 是集成電路AM462 的工作電壓，VA 是負(fù)載電阻的電壓降，它們與外加的對(duì)大地而言的工作電源VS 的關(guān)系為：

VS = VA + VCC min.

而VCCmin 為：

VCCmin =VRef +1V 和 VS = 6 /11…35V

有多少檢測(cè)儀器可以接入電流回路和傳輸電纜可以有多長(zhǎng)由下面的式子給出（見(jiàn)圖7）。

Rl 是電纜電阻，RL 是負(fù)載電阻，VM 是檢測(cè)儀器二端的電壓降，由圖6 可知：

VS ≥VCC min +VA 或者 VAmax = VS-VCC min

圖7：控制系統(tǒng)的電流變送技術(shù)應(yīng)用

如果RL , VM 和 VS 已知或事先給定，那么根據(jù)公式

（ρ = 電導(dǎo)率，銅ρ =0,016 Ωm²/m；l 是電纜長(zhǎng)度，單位是米；A 是電纜的截面積，單位是mm²），就可以算出電纜的最大長(zhǎng)度或者算出可允許串入的檢測(cè)儀器數(shù)量。考慮到電磁干擾的影響，有關(guān)負(fù)載電阻RL 的值應(yīng)該是低阻值的，但也受到測(cè)量?jī)x器的分辨率的限制（在小電流時(shí)負(fù)載電阻RL 上的電壓降測(cè)量）。

圖7 是一個(gè)傳感器信號(hào)二線制電流變送傳輸技術(shù)應(yīng)用電路圖。在電流回路中串聯(lián)了相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，就像在工控設(shè)備中比如PLC 等所需要的一樣。

總結(jié)

信號(hào)數(shù)字化傳輸方法越來(lái)越多，但是模擬電流4-20mA 信號(hào)的傳輸在今天仍然是工業(yè)上最普遍的抗干擾效果很好的一種信號(hào)傳輸方法。

本文介紹了二線制變送電路設(shè)計(jì)和信號(hào)傳輸中要注意的問(wèn)題。通過(guò)專(zhuān)用變送集成電路AM462 的例子說(shuō)明了如何簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)一個(gè)電流變送電路和電流信號(hào)傳輸本身所能帶來(lái)的好處。