4 mA至20 mA電流環(huán)路廣泛用于采用數(shù)字或模擬輸入輸出的可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS),。
電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一個4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器，用于過程控制系統(tǒng)與其執(zhí)行器之間的通信,。除具有高性價比外,，此電路還是業(yè)界功耗最低的解決方案,。電流環(huán)路接口之所以頗受青睞，是因為它能以高性價比方式進行長距離抗擾數(shù)據(jù)傳輸,。低功耗雙通道運算放大器AD8657 ,、DACAD5621和基準(zhǔn)電壓源ADR125的組合，可以為微控制器和數(shù)字隔離器等更高功耗器件提供更多功耗預(yù)算,。此電路輸出電流為0 mA至20 mA,。4 mA至20 mA范圍一般對應(yīng)表示DAC或微控制器的輸入控制范圍，0 mA至4 mA的輸出電流范圍則常用于診斷故障條件,。
圖1 PIC32MX795F512方框圖
12位,、5 V AD5621需要75 μA的電源電流（典型值）。AD8657是一款軌到軌輸入/輸出雙通道運算放大器,，而且是目前業(yè)界功耗最低的放大器之一（在整個電源電壓和輸入共模范圍內(nèi),，其耗電流為22 μA），工作電壓最高可達(dá)18 V,。ADR125是精密微功耗5 V帶隙基準(zhǔn)電壓源,，僅需要95 μA電源電流。這三個器件總共消耗192 μA的電源電流（典型值）,。
電路描述
對于工業(yè)和過程控制模塊,，4 mA至20 mA電流環(huán)路發(fā)送器用作控制單元與執(zhí)行器之間的通信手段。12位DAC AD5621位于控制單元,，根據(jù)輸入代碼產(chǎn)生0 V至5 V之間的輸出電壓VDAC,。代碼通過SPI接口設(shè)置，輸入代碼與輸出電壓之間的理想關(guān)系可用下式表示：
其中：
VREF為ADR125的輸出電壓和AD5621的電源電壓
D是載入AD5621的二進制代碼的十進制等效值
DAC輸出電壓設(shè)置流過檢測電阻RSENSE的電流
流過RSENSE 的電流作為VDAC 的函數(shù)在0 mA至2 mA范圍內(nèi)變化,。此電流會在R1兩端產(chǎn)生一個電壓,，并設(shè)置AD8657放大器(A2)的同相輸入端電壓。A2 AD8657使環(huán)路閉合,，并將反相輸入端電壓拉至與同相輸入端相同的電壓,。因此，流過R1的電流以10倍的系數(shù)鏡像到R2，這可以通過公式3表示：
VDAC 的范圍為0 V至5 V,，因此該電路產(chǎn)生的電流輸出范圍為0 mA至20 mA,。
AD5621是一款12位DAC，屬于 nanoDAC系列,，采用基準(zhǔn)電壓源ADR125的5 V輸出電壓工作,。它有一個片內(nèi)精密輸出緩沖器，該緩沖器能夠提供軌到軌輸出擺幅,，因此其動態(tài)輸出范圍非常高,。電源電壓為5 V時，AD5621消耗的電源電流為75μA（典型值）,。
圖 2. 0 mA至20 mA輸出電流
圖3 輸出電流誤差圖
此外,，本電路解決方案需要一個軌到軌輸入放大器，雙通道運算放大器AD8657是絕佳選擇,，具有低功耗和軌到軌特性,。在額定電源電壓和輸入共模電壓范圍內(nèi)，該運算放大器的工作電源電流為22μA（典型值）,。它還提供出色的單位電流噪聲和帶寬性能,。AD8657是功耗最低的放大器之一，工作電源電壓最高可達(dá)18 V,。
ADR125是一款精密,、微功耗、低壓差(LDO)基準(zhǔn)電壓源,。輸入電壓為18 V時,，靜態(tài)電流僅95μA（典型值）。之所以首選LDO基準(zhǔn)電壓源,，是因為它能使從控制單元到執(zhí)行器的環(huán)路電線承受更多壓降,。為了保持穩(wěn)定，ADR125的輸出端需要一個0.1 μF小電容,。另外再并聯(lián)一個0.1μF至10μF電容可以提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能,。雖然輸入電容不是必需的，但建議使用,。輸入端可以串聯(lián)一個1μF至10μF的電容,，以改善電源電壓突然變化時的瞬態(tài)響應(yīng)性能。再并聯(lián)一個0.1 μF電容同樣有助于降低電源噪聲,。
還需要旁路電容（圖1中未顯示）,。本例中每個雙通道運放的每個電源引腳上都應(yīng)有一個10μF鉭電容與一個0.1 μF陶瓷電容并聯(lián)。
該電路解決方案輸出0mA至20mA的電流,。圖2顯示在250 Ω負(fù)載電阻中測得的電路輸出電流,。圖3所示為輸出電流誤差圖,。
常見變化
對于14位或16位分辨率的解決方案，請考慮采用AD5641 或AD5662,，16 V CMOS運算放大器ADA4665-2 是另一個選擇,，可以代替AD8657，它的性價比更高,，電壓噪聲更低,，但缺點是電源電流較高。針對此類應(yīng)用選擇放大器時,，務(wù)必確保不要超出輸入共模電壓和電源電壓范圍,。
對于更高的電源電壓，請考慮采用基準(zhǔn)電壓源ADR02 ,，其工作電源電壓最高可達(dá)36 V,。
應(yīng)用
• 樓宇控制和自動化
• 控制/處理
• 暖通空調(diào)
• 過程控制與工業(yè)自動化
• 可編程邏輯控制和分布式控制系統(tǒng)
