4~20mA模拟輸出（電流環）應用筆記（轉）

4~20mA模拟輸出（電流環）應用筆記

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前言

4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制是國際電工委員會(IEC):過程控制系統用模拟信号标準。

在工業現場，如果采集的信号經調理後是電壓信号并且進行長線傳輸，會産生以下問題：

第一，由于傳輸的信号是電壓信号，傳輸線會很容易就受到噪聲的幹擾；第二，傳輸線的分

布電阻會産生電壓降；第三，在現場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。

為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，工業現場大量采用電流來傳輸信号。采用電

流信号的原因是不容易受幹擾。并且電流源内阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，

在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起

的火花能量不足以引燃瓦斯，而低于4mA高于20mA的信号用于各種故障的報警下限。隻

是以沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷

路，環路電流降為0。

4～20mA 電流環有兩種類型：二線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的

驅動器件如閥門等時，一般采用三線制變送器，這裡電流輸出子產品位于監控的系統端，由系

統直接向電流輸出子產品供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統是電流

輸出子產品和傳感器位于現場端，由于現場供電困難，一般是接收端利用4～20mA的電流環

線纜向遠端的電流輸出子產品供電，通過4～20mA來反映信号的大小。

4～20mA 産品的典型應用是傳感和測量應用。在工業現場有許多種類的傳感器可以被

轉換成4～20mA的電流信号。

變送器的概念是将非标準電信号轉換為标準電信号（0/4~20mA DC,1~5V

DC,0~10V DC）的儀器。傳感器是能夠受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸

出信号的器件或裝置的總稱,通常由敏感元件和轉換元件組成。當傳感器的輸出為規定的标

準信号時，則稱為變送器。們讨論的兩線制、三線制、四線制，是指各種輸出為模拟直流電

流信号的變送器。

方案

兩線制電流環方案

兩線制電流環的工作電源和信号共用一根導線，工作電源由接收端提供。所謂兩線制即

電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信号聯絡及供電僅

用兩根電線，這兩根電線既是電源線又是信号線。兩線制變送器由于信号起點電流為4mA，

為變送器提供了靜态工作電流，同時儀表電氣零點為4mA，不與機械零點重合，這種“活零

點”有利于識别斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全栅,利于安全防爆。

兩線制變送器如圖一所示，其供電為24V.DC，輸出信号為4~20mA.DC，負載電阻為

250Ω，24V電源的負線電位最低，它就是信号公共線，對于智能變送器還可在4~20mA信

号上加載HART協定的FSK鍵控信号。

下圖是TI的XTR115的應用方案。

三/四線制電流環方案

三/四線制電流環有專門的供電線。由于4~20mA.信号制的普及和應用，在控制系統應

用中為了便于連接配接，就要求信号制的統一，為此要求一些非電動單元組合的儀表，如線上分

析、機械量、電量等儀表，能采用輸出為4-20mA.信号制，但是由于其轉換電路複雜、功耗

大等原因，難于全部滿足上述的三個條件，而無法做到兩線制，就隻能采用外接電源的方法

來做輸出為4~20mA的四線制變送器了。四線制變送器如圖所示，其供電大多為220V.AC，

也有供電為24V.DC的。輸出信号有4~20mA.DC，負載電阻為250Ω。

有的儀表廠為了減小變送器的體積和重量、并提高抗幹擾性能、減化接線，而把變送器

的供電由220V.AC改為低壓直流供電，如電源從24V.DC電源箱取用，由于低壓供電就為負

線共用創造了條件，這樣就有了三線制的變送器産品。

三線制變送器如圖三所示，所謂三線制就是電源正端用一根線，信号輸出正端用一根線，

電源負端和信号負端共用一根線。

三/四線制電流環的實作

內建晶片方案

我們以TI和ADI兩家半導體廠家提供的內建晶片為例子，來探讨電流環的實作。內建

晶片又分成V/I晶片和D/I（D/A）晶片。V/I晶片是把标準電壓信号轉換為電流的晶片，D/I

晶片是将數字量通過串行或者并行數字接口直接轉換為電流量的晶片。

TI公司提供的V/I晶片包括XTR111等。可以将電壓信号轉換為電流量。下圖是TI

的XTR110的一個應用方案。

下圖是使用xtr111晶片的一個方案，利用微控制器的PWM經過低通濾波轉換為

電壓，輸入xtr111，産生4～20mA電流。這個是我剛用過的，感覺還是挺穩定的。

ADI提供一種電流環變送器驅動晶片（V/I），如AD694。可以将輸入的電壓轉換為電

流輸出。

ADI公司提供了一系列的D/A轉換晶片。其數字量輸入一般是SPI接口或者是并口，

輸出為4~20mA電流量。AD420是應用比較廣泛的電流環輸出晶片，在網上能查到好多資

料。憑借ADI公司iCMOSTM 工業制造技術支援的技術創新開發出的最新DAC包括

AD5422，AD5420，AD5412和AD5410，進而允許它們能夠達到工業應用所要求的高電壓。

其中AD5422是采用12V~48V單電源或者±12V~±24V雙電源供電的單通道16bit DAC。通

過軟體可選擇其輸出配置，在電壓模式下其輸出選擇範圍為5V，10V，±5V和±10V；在電

流模式下其輸出選擇範圍為4～20mA，0～20mA和0～24mA。全部輸出範圍都包含一個附

加的超量程設定。

AD5422工作在電壓模式或電流模式時達到0.1%總非調整誤差(TUE)精度水準，還包括

一個5ppm/oC内部參考電壓源。内部故障檢測電路為線路故障提供了硬體訓示和軟體訓示，

例如線路或遠端負載的開路或短路。AD5422還內建了過熱訓示。為了檢測輸出電壓，它包

含了帶強制和檢測能力緩沖電壓輸出，用來補償串聯保護電阻器和現場布線阻抗。AD5422

片内可調節精密輸出放大器使其輸出擺幅接近電源電壓(R-R特性)，進而使其動态範圍最大

并且使該DAC能夠提供多種工業應用所需要的性能。其模拟輸出端能驅動高達1μF的容性

負載和高達1H的感性負載。

AD5412是引腳相容的單通道12bit、電流源和電壓輸出DAC。AD5420(16bit) 和

AD5410(12bit)隻能工作在電流源模式 ，它們采用12V～60V單電源供電，可用軟體選擇輸

出配置，包括4～20mA，0～20mA和0～24mA選擇範圍。

這些最新的DAC還包含一個30MHz的串行外圍接口(SPI)，上電複位和硬體清零(CLR)

以及用于輸出控制的CLR選擇功能。每款DAC在工業溫度範圍都完全達到規定技術名額。

這些晶片對于想開發4~20mA電流的工程師來說是極大的好消息，但是在國内卻很難買

到，并且價格也非常高，這就限制了這些晶片的應用。

分立元件方案

下面是一個給出工作原理的4~20mA輸出電路。

原理如下：

根據“虛斷”的概念

由下一條回報支路得到

V(B) = 2 * V(3) - Vin ①

由上一條回報支路得到

V(A) = 2 * V(2)

根據“虛短”可知V(3) = V(2)

是以V(A) = 2 * V(3) ②

列B 點的節點電流方程

I(L) = V(B) / RL = [V(A) - V(B)] / R10 + [V(3)-V(B)] / R8

将①、②代入，得到

I(L) = -Vin / R10 + (Vin - V3) / R8

因為R8 >> R10，忽略後面一項，得到負載電流

A

B

I(L) = -Vin / R10 = -Vin/500

可以看出負載電流是與負載大小無關的表達式。

這樣0~10V 信号在負載上就變成0~20mA 的信号

這是一個很可靠的電路，我在多個項目中使用了效果很理想。實際應用中為了提高精度

和帶載能力，我将回報電阻R8 換成了運放電壓跟随器反正LM258是雙運放，另一路空着

也是空着，不用白不用。另外要注意，負載的上限不能超過VCC 和9013 的能力

下圖是在網上找到的一個分立器件的原理圖。

總結

以三/四線為例子進行總結如下：

最快方案：尋找帶有數字接口（如SPI）的DAC晶片（AD5412）。

最可行方案：使用V/I變換晶片，如xtr111.（好買）

最經濟方案：使用分立器件。

參考資料