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。

4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。

4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。

图1 (略)

电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。

满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。

4～20mA的传感器信号调理解决方案

4～20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。

二线制4～20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。

二线制方案设计需要考虑：

（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；

（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；

（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。

图2 (略)

图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4～20mA信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。

三线制4～20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：

（1）电流环路中的接收器的数量；

（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；

（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。

TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将0～5V或0～10V的输入电压直接转换到4～20mA、0～20mA、5～25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。

图3(略)


4～20mA的校正

传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。

现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。

XTR108是TI提供的校正4～20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：
（1）具有传感器的线性化电路；

（2）数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；

（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26～400倍；

（4）RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A；

（5）校正参数存储在外接的EEPROM中；

（6）可编程的过量程和欠量程的输出。

此外，TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——PGA309，它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4～20mA的输出。

问答选编

问：电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不 同？

答：霍尔传感器是传感器件，而电流变送器是将传 感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信 号进行传输，因此它们两个一个是传感器，另一 个是电流变送器。

问：4~20mA信号是否存在温漂？如何解决？

答：实际上，4~20mA信号内部是用集成电路芯片来 制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到 放大器、电压到电流的转换时，会存在温漂，但 这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的， 因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作 为前置放大，同时PGA309中还有温度的校准，它 是每采集一个温度点来查表，进行温度满度或色 调电压的校准，从而解决温度的漂移问题。

问：应该采取哪些措施实现4～20mA变送器的信号 隔离？

答：对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法： 一是变送器端的隔离，一是接收端的隔离。现 在若有24V电压供给一个XTR115的芯片，XTR115 内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电 压输出，对这个5V的稳压电压进行展波，经过一 个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电 源，然后再把模拟信号转换成数字信号，再经过 一个隔离以后再提供给XTR115，再进行长线传 输， 这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路 里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔 离的话，也可以在接收端加一个RCV420将电流 转换成电压，再经过一个ISO124隔离放大器进行 隔离，同时再经过一个DC/AC转换器向电路进 行退电供电，这样也能完成对4～20mA变送器 信号的隔离。

问：变送器传输过来的信号应该怎么处理？是不是 先要经过电流到电压的变化然后再到ADC？对 ADC的选择有什么特殊的考虑？

答：变送器传输的信号主要是一个电流信号，如果要　 采集它，一般要经过电流到电压的转换，这个TI　 有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选 择，主要根据对信号精度的要求来考虑。

问：接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信 号，在接收方式和信号处理上有何不同？要注 意些什么问题？

答：在接收方式上，如果是二线制4~20mA信号，由　 接收端向SPI端提供电源，通过电源线经过4~20mA 信号线来提供电源。三线制4～20mA信号是由 发生端（SPI）来提供电源的，所以说它们提供的 电源是不同的，一个是由接收端而另一个是从远 端来提供电源的。
它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压 信号，然后再经过AD转换器，这时候就牵扯到 一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般 在工业上，它们会加一个推电器，就是在接收端 同时提供一个24V的电源，通过4~20mA电流线 向远端进行供电。

问：现在市场上的变送器是否有数字输出接口？比 如RS-485或者RS-232？

答：现在市场上的变送器通常用标准的485或232通 讯接口来传输，这个产品其实早在10年前就有 了，它们把现场的信号模拟成传感器的信号，直 接传数字量，然后经过485进行传输，这是比较 多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX，它 内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换 器及通信接口输出，如果用它来做的话，很容易 把它做成一个485或232通信接口的数字变送 器芯片。

问：在4~20mA变送器的信号传输过程中，如何有效 地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干 扰？在系统故障状态，是否具有事故信息追忆功 能？

答：如果有电磁干扰，首先说电磁的发射，当传感器 接入的时候，如果具有很高的输入阻抗的时候， 有可能产生电磁干扰，可以加一些电阻电容进行 滤波，TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大 家参考。过电压的时候，4~20mA的长线输出的 时候，可以借助36V的稳压块来进行过电压保 护，如果极性接反的时候，可以在输入回路里加 一个整流桥堆来对极性进行调整。

问：如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转 换？主要是精度方面，是否能给一个具体例子？

答：如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转 换时，TI有一个专用芯片RCV420，它里面采用的 是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运 算放大器和一个精密的基准电压器，即10V的基 准电压，这个10V基准电压大概是5个或10个 TTN的温度系数，用这个片子就可以很精确地 将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。

问：有没有串行接口出来就是4~20mA？最好能出来 0~20mA，类似于ADI的AD420，但AD420太贵， 而且外围东西太多。

答：也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个 XTR110，它是一个很廉价的电压到电流的转换， 前面或者用一个DA转换器，或者用一个PWM 的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过 一个电阻接到XTR115的输入端，这样就可以满 足HART协议来替换AD420，这时的成本应该是 很低的，应用也很方便。

问：使用4~20mA变送器时，是否需要通过控制器对 其进行编程？

答：TI变送器电流环有几类产品，有的可以通过控 制器进行编程校正，也有的可以通过模拟的、通 过外部设置来进行校正。

问：如何用PWM信号控制4～20mA电流？

答：用PWM信号控制4～20mA电流很常用，通常采 用一个单片机放在前面对传感器进行测量，测 量好后把模拟信号转换成数字信号，但是它内 部不包含DA转换器，它是用一个PWM信号来输 出。像TI的XTR115芯片，它包含一个典型电路： 把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA 的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即 可完成电路的控制。

问：是否有办法从4~20mA 线缆中取电，同时又不影　 响模拟信号的转换和采集结果？

答：如果是二线制的时候，因为是通过电源来向远端 的SPI 芯片来进行供电的，若采用的是XTR115或 其他XTR芯片，可以把24V电源转换成一个稳压 电源的信号，一般都是5.1V的信号，使用5.1V的 信号对前面的芯片进行供电，这时候应该没有这 种问题。TI的XTR芯片专门考虑了这个问题， 所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前 面的电路供电，而不会影响模拟信号的转换和采 集结果。