4～20MA方案
二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计
二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计模拟工控网上用的4-20 mA 标准电流信号是工业上最常用的信号传输方法之一。
本文将介绍二线制方式的标准电流输出为4-20mA 的变送电路。
通过对集成电路AM462（电压电流转换变送电路）的应用举例，介绍了如何实现工业上常用的二线制变送接口电路，而它可以为程控机PLC 等直接传输信息。
针对不同的控制设备，介绍了相应的电路元器件的计算方法。
注意：下面的介绍对于AMG 公司生产的所有电压电流转换集成电路（AM400, AM402,AM422, AM442, AM460）原则上都是适用的[1]。
模拟电路接口工业上通常用电压0-5(10)V 或电流0(4)-20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。
那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。
电压信号传输比如0-5(10)V如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。
原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。
由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。
如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。
要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。
如果用运算放大器OP 来做接收方的输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于<1MΩ。
原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起很明显的误差。
所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。
电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号0-5(10)V 的。
电流信号传输比如0(4)-20mA在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，多年来人们比较喜欢使用标准的电流来传输信号。
二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计
二线制模拟电流4-20mA 信号变送电路设计模拟工控网上用的4-20 mA 标准电流信号是工业上最常用的信号传输方法之一。
本文将介绍二线制方式的标准电流输出为4-20mA 的变送电路。
通过对集成电路AM462（电压电流转换变送电路）的应用举例，介绍了如何实现工业上常用的二线制变送接口电路，而它可以为程控机PLC 等直接传输信息。
针对不同的控制设备，介绍了相应的电路元器件的计算方法。
注意：下面的介绍对于AMG 公司生产的所有电压电流转换集成电路（AM400, AM402,AM422, AM442, AM460）原则上都是适用的[1]。
模拟电路接口工业上通常用电压0-5(10)V 或电流0(4)-20mA 作为模拟信号传输的方法，也是被程控机经常采用的一种方法。
那么电压和电流的传输方式有什么不同，什么时候采用什么方法，下面将对此进行简要介绍。
电压信号传输比如0-5(10)V如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点，那么信号可能很容易失真。
原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗，电缆的电阻以及接触电阻形成了电压降损失。
由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。
如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的，那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小，这些电阻也就可以忽略不计。
要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻可忽略，就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。
如果用运算放大器OP 来做接收方的输入放大器，就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于<1MΩ。
原则上，高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起很明显的误差。
所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。
电压信号传输的结论：如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短，一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信号0-5(10)V 的。
电流信号传输比如0(4)-20mA在电磁干扰较强的环境和需要传输较远距离的情况下，多年来人们比较喜欢使用标准的电流来传输信号。
4个常用的4~20mAIV电路
推荐4个实用的4〜20mA 输入/0〜5V 输岀的I /V 转换电路、最简单的4〜20mA 输入/1〜5V 输岀的I /V 转换电路应用示意图:KV 转换取样电阻4〜20mA 输入/5H 输出的I /业转换电路在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器（变送器）输出的rioo 或 者广20砧电流信号转换成为电压信号.住往都会在后级电路的最前端配置一个 转换电路，图1就是这种电路最简单的应用示竟图。
仅仅使用一只m 转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取 样电阻可成按.BgVin/ I=R 求出，町瓦是卑片机需要的满度A / D 信号电氐I 呈输入 苗畫大蓿号电流“这种电路虽然简单，但是却不实用，首先，其实际意义是零点信号的时候， 会有一个零点电流流过取样电阻，如果按照4辽Q 砧输入电流转换到最大5Y 电压未 分析，零点的时候恰好就是这个M 在单片机资源足够的时候，可吐由单片机 软件去减掉它。
可是这样一来°其有用总压就会剩下5-l=4V 而不是5VT.由干单 片机的A/D 最大输入电压就是单片机的供电电压，这个电压通常就是吕已因此， 处理这种简单的输入转换电路时比较麻烦°为了达到心/D 转换的位数，就会导致 芯片成本增加&、廉价运放 LM324搭的廉价的4〜20mA 输入/0〜5V 输岀的I / V 转换电路:AD 输入 R4〜20mA 信号廉价运放LU32＜的廉价的4~2WA 输入/5V 输出的I /Y 转换电路图2采用的星廉价运放LM324搭的廉价的20mA 输入/製输岀的I / ¥转换电路， 其对寒点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入4血时在 RAO 上的压降。
有了运算放大器！还使得RAO 的取值可以更加小，因为这时信号电压 不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。
这样，就可以真正把4-20KLA 电流转换危为0〜冈电压了。
4-20mA电流环有源负载两线无源隔离变送调理控制系列IC应用方案
源负载电流环回路供电模拟量输入接口匹配设计，可实现传感器电压信号采集，电位器、电子尺或位移传感器信 号输入，隔离转换成两线制4-20mA电流环回路供电输出方式。模块使用高效能的回路窃电技术，使模块无需独立 电源供电，采用两线制回路供电输出方式可省掉两根电源线，大大简化了用户的设计，降低用户布线成本。该模 块内部包含有信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等，满足用户无需外接辅助电源而实现信号远距离、无 失真传输的需要
Shenzhen Sunyuan Technology CO., Ltd.
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ISO Series Analog Signal Converter IC
仪表的模拟量输入端口相匹配。满足工业级宽温度、潮湿、震动的现场恶劣环境要求，SY（V） 4-20mA-P 产品 使用非常方便，只需外接一个 2KΩ 的多圈电位器进行 ADJ 校正，即可实现两线制 4-20mA 信号传输和变送功能。
+2.5V 基准 电压 VREF
3
ISO Series Analog Signal Converter IC
信号 输入 负端 Sin-
4
电流 输出 正端 Io+
两线制4-20ma
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理 两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
霍尔流量计-4-20MA输出设计方案
设计方案1.单片机采用：C8051F410。
●12位AD，200KSPS，多达24路外部输入（内部选择器）。
输入范围为0-VREF。
VREF可以被配置成内部1.5V，2.2V，或外部输入。
若配置成2.2V，则分辨率为2.2/4096=0.54mV。
理论精度为1/4096=0.03%。
若采用8位则是0.4%。
●12位电流输出DA，电流最大输出范围为0-0.25/0.5/1/2mA。
（XTR115的输入电流范围0.04-0.2mA）●JTAG在片调试，速度可达50MIPS（时钟频率为50MHz时）●存储器，2304字节内部数据RAM（256+2048），32KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节。
64字节电池后备RAM（smaRTClock）●24个端口I/O；推挽或漏极开路，耐5.25 V电压。
可同时使用的硬件SMBus（I2C兼容）、SPI和UART串口，4个通用16位计数器/定时器，16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有6个捕捉/比较模块和WDT。
硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，64字节电池后备RAM和后备稳压器●供电电压范围2.00-5.25V。
50M频率下10mA 电流，1M频率下0.3mA。
●芯片内部用于温度传感器。
●32脚LQFP2.（C8051F350=8K FLASH；768RAM；2.7-3.6V，24位△AD，8位DA，待选）3.4-20 mA电流输出采用：XTR115。
●2线制，24V供电。
●提供外部电路+5V电源，+2.5V参考电源。
●输入电流控制，输出电流=100倍输入电流。
4.温度传感器采用：TMP36（实验后决定是否使用）。
●供电电压范围2.70-5.50V。
●输出10mV/℃，测温范围-40℃-+125℃，输出电压0-1.8V。
●50uA电流5.霍尔位移传感器采用：SS495模拟霍尔位置传感器。
●体积小巧（0.16x0.118″）●低功耗—典型7mA 在5VDC，最大8.7 mA●电源沉或源线性输出●内含激光修正的薄膜电阻提供精确的灵敏●度和温暖度补偿●工作温度范围-40~+150●可反应于正的或负的磁场●方块霍尔传感元件提供稳定的输出●Rail-to-Rail性能可提供更有效的信号以达到6.FLASH存储器采用：M24C04。
两线制4-20ma原理
两线制4-20ma原理4-20mA（毫安）是一种常见的电流信号传输标准，常用于工业控制系统中，例如传感器和执行器之间的信号传递。
两线制（Two-Wire）4-20mA是指使用两根导线进行信号传输的系统。
以下是两线制4-20mA的基本原理：1.电流范围：4-20mA的范围表示电流信号的范围。
在正常运行情况下，传感器或设备产生的电流在4mA到20mA之间变化，对应了相应的测量范围。
4mA通常表示零点，而20mA表示满量程。
2.两线制：使用两根导线进行信号传输，其中一根是电流的信号线，另一根是信号线和电源的共地线。
这简化了布线，降低了系统的成本，因为只需要两根导线就能传输电源和信号。
3.电流信号：在4-20mA标准中，电流信号的范围对应于测量值的范围。
例如，一个温度传感器可能在25摄氏度时输出4mA的电流，而在75摄氏度时输出20mA的电流。
这种方式对比电压信号更抗干扰，因为电流信号不容易受到电阻和线路阻抗的影响。
4.设备供电：在两线制4-20mA系统中，通常使用环回供电（Loop-Powered）方式。
即，传感器或设备通过同一根导线接收电源供电。
这就要求设备能够工作在非常低的电流下，以确保在电流范围内提供足够的电源。
5.信号解析：接收端的控制系统测量电流值，并将其解析为相应的物理量，例如温度、压力或液位。
通常，控制系统中有专门的模块或电路用于解析4-20mA电流信号。
总体来说，两线制4-20mA系统的优势在于抗干扰性强、布线简单、成本相对较低，因此在工业环境中被广泛应用于传感器和执行器的信号传输。
两线制4-20mA变送器的电路设计
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。
常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。
当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
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图 3-2 程式流程图
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3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案） 3.4 量测程式量测波形
启动信号
启动完成信号
图 3-3
为中断从 IDLE MODE 唤醒后到 CPU 启动的波形△T=2mS
22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12
s+
HY1 1P1 2
3k VDD R3
10 0k C4 10 0n
图 3-1：量测原理图
3.2: BOM 表
表1 符号 HY11P12 C8 C7 C2 C3 C4,C5,C6 R2 R1 R3 C1 元件 LQFP44 0805 0805 0805 0805 0805 AXIAL-0.4 0805 LCD12*4 描述 U1 47nF 1uF 10uF 4.7uF 100nF 3K,1% 10K,1%,可调电阻 100K
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3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
C1 LC D_12 *4 SEG2 SEG3 SEG4 SEG5 SEG6 SEG7 SEG8 SEG9 SEG10 SEG11 SEG12 SEG13 C2 10 U 33 32 31 30 29 VDD 28 27 26 25 24 23 J1 2 1 PT2.3 PT2.2 XTI/P T2.1 XTO/P T2.0 VDD NC VLC D C OM0 C OM1 SEG0/C OM2 SEG1/C OM3 C3 4.7U 13 14 15 16 C OM0 LC D_12 *4 C OM1 C OM2 /S EG0 C OM3 /S EG1
DC MEASURE HY11P12 3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
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3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
目录 1 前言..................................................................................................................................3 2 原理说明 ..........................................................................................................................3 3 设计规划 ..........................................................................................................................3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
切换负网络，丢弃 2 笔 ADO，取 4 笔 ADO 作平均计算。(Average2) Average1 减去 Average2 后做移位处理，计算显示量测结果。 量测完一次后进入到 IDLE MODE,WACHT DOG 唤醒后在重复上述过程； 通过 I/O PT2.5 来选择 LCD 更新频率为 1.2HZ，还是 3.4HZ；
HY1 1P1 2
C5 10 0n
C7 C8 S+ S-
s-
C6 VDDA R1 10 K 10 0n R2
VPP/R ST PT1.0/INT0/PS CK PT1.1/INT1/PS DI PT1.2 PT1.3/TS T PT1.4 PT1.5/PS DO PT1.6 PT1.7/B Z NC SEG13
3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
休眠时间
图 3-5: 完成一次后测量休眠时间，△T=824mS
4 技术规格
操作电压 ：2.4V~3.6V。 功耗 ：0.03mA ~ 0.08mA。 解析度 ：Voltage: 1uV ~ 10uV；Temperature: 0.1℃。 显示速率(Hz) ：1.2HZ 显示值 ：±200.00mV 表 2： T=25℃ ，VDD=3V，unless other noted parameters Zero input reading Ratiometric Reading Rollover Error (difference in reading for equal positive and negative reading near full scale) Linearity Common mode rejection ratio Noise Input leakage current
2 原理说明
以 2000 COUNT 显示成 200.0mV,显示最小单位为 100uV,若要达到， 且内外解析度比设 定为 1:6，因此 Input RMS Noise 则必须小于或等于 100uV/6 =16uV 就能达成。A/D Output rate 则选择在过取样率(OSR)为 256 模式下，相当于 A/D 输出频率达：976HZ。 通过程式设定完成一次量测后进入到 IDLE MODE， 通过 WATCH DOG 唤醒在进行测量； 设定 LCD 显示更新率约为：1.2HZ。 网络设定方式，采用该产品提供的网络交叉方式取值，可直接消除 A/D 电压偏移值 (A/D Offset)。分别于正向网络/反向网络各取数位输出值做相减消除动作。(INH/INL:为外部 信号输入脚位；S+/S-为内部 A/D 信号输入源； 正向网络数位输出：ADO1 = +ADO + ADOoffset 反向网络数位输出：ADO2 = -ADO + ADOoffset 则相减数位输出结果为：(ADO1-ADO2) = 2AD0…直接消除存在的 AD offset
启动完成信号
启动完成 VDDA
图 3-4：VDDA 启动延时约为 0.5mS
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3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
启动完成信号
第一次进入 ADC 中断
3.3: 软件说明
流程图：程序流程请参考下图 3-1 流程图说明。 测量模式软件计算流程请参考下图可大致分成下列文字叙述流程等: 切换正网络，丢弃 2 笔 ADO，取 4 笔 ADO 作平均计算。(Average1)
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3 1/2 低功耗电压测量（MAX131 替代方案）
1 前言
纮康公司 HY11P 系列产品具有高速测量与低消耗功率特性， 本文将详细描述芯片如何在 低耗电流的情况下完成输入电压范围为±200mV 电压量测；以达到 MAX 130/131 的规格需 求；
图 3-5
为 CPU 启动后，第一次进入 ADC 中断的时间△T=1.52mS
两次 ADC 中断 之间的时间间隔
图 3-6
每产生一笔 ADC 值的间隔, △T=1.02mS
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图 2-1 A/D 网络交叉示意图
3 设计规划
3.1: 硬件说明
芯片本身简单的被动组件，除 POWER 共 4 颗电容稳压电容(VDD /VLCD /VDDA /ACM)，及 RST 脚位本身的 Pull high 电阻和接地电容外，再搭配 A/D 信号输入端及参考电 压端的滤波电容即可架设简易 A/D 测量系统。 由于该产品拥有多组 A/D 输入通道可使用，本文使用 AI0/AI1 当电压信号输入引脚， AI2/AI3 当參考电压输入引脚，该应用上使用最简化线路完成，参考电压源采用 VDDA 分压 的方式通过 AI2/AI3 输入參考电压源，采用外部参考电压的调整来校准; 电压输入信号源的參考点以电源 ACM(1.2V)为参考源连接到 AI1 引脚，可供 AI0 引脚 输入做＋/－信号测量，就像 2000 counts 电压测量范围则可达±200mV 输入信号。
4 技术规格 ..........................................................................................................................8 5 功耗预估 ..........................................................................................................................9 6 HY11P12 与MAX131 比较表............................................................................................9 7 结论................................................................................................................................10 8 附件................................................................................................................................ 11 9 参考文件 ........................................................................................................................ 11