本應(yīng)用筆記回顧了4–20mA電流控制環(huán)路傳輸標準的工作原理，以及MAX11300 20端口可編程混合信號I/O的應(yīng)用，具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模擬開關(guān)和GPIO，用于測量-40°C至+70°C溫度范圍，精度低于0.6%，是發(fā)送器的首選。

介紹

溫度是工業(yè)過程控制和自動化中最廣泛測量的參數(shù)之一，4-20mA電流控制環(huán)路可能是工業(yè)中最常用的模擬傳輸標準，用于將數(shù)據(jù)從遠程傳感器傳輸?shù)街醒肟刂?a target="_blank">中心的可編程邏輯控制器（PLC）通過雙絞線電纜。本應(yīng)用筆記回顧了該傳輸標準的工作原理、優(yōu)勢，以及MAX11300 20端口可編程混合信號I/O與12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模擬開關(guān)和GPIO的應(yīng)用，用于測量-40°C至+70°C溫度范圍，精度小于0.6%，是該4–20mA控制環(huán)路中發(fā)送器的首選。

詳細說明

在雙線制4–20mA控制回路中，變送器通常用于將各種過程信號（如流量、溫度、壓力等）轉(zhuǎn)換為4–20mA直流電流，以長距離傳輸信號，長達2km，信號損失很小或沒有，如圖1所示。

圖1.典型4–20mA電流控制環(huán)路框圖

在圖1中，從電源提供的電流通過導(dǎo)線流向4–20mA變送器，該變送器不僅是電流源，而且還調(diào)節(jié)通過控制環(huán)路的電流和電流大小。變送器允許的電流稱為環(huán)路電流，它與被測參數(shù)成正比。環(huán)路電流通過電線流回控制器，然后流經(jīng)接收器電阻器接地并返回電源。流過接收器的電流產(chǎn)生電壓，可通過控制器或監(jiān)測設(shè)備（如MAX11300）的模擬輸入輕松測量。對于本演示板中使用的250Ω電阻負載，當(dāng)環(huán)路電流為20mA時，電壓為1VDC/4mA和5VDC。選擇4mA最小電流，以便在測量0mA電流時，表示控制環(huán)路斷開，從而提醒控制器潛在問題。

4–20mA電流控制環(huán)路的優(yōu)點是信號的精度不受環(huán)路壓降的影響，因為與電壓不同，只要電源電壓大于環(huán)路中的總壓降，電流通過電導(dǎo)體的電流就保持恒定，并且電流不受噪聲影響。

電源：

對于帶 2 線變送器的 4–20mA 電流控制環(huán)路，常見電源電壓為 12、15、24 和 36 VDC。2線制變送器的電源必須始終為直流電壓，因為電流的大小代表正在傳輸?shù)男盘栯娖?。如果在環(huán)路中使用交流電壓，電流的大小將不斷變化，因此難以區(qū)分正在傳輸?shù)男盘栯娖?。直流電壓必須設(shè)置為大于操作變送器所需的最小電壓、電阻負載損耗、V 之和的水平RL，對于長傳輸距離，V烏爾曼如圖2中的等效電路所示，線材下降。

圖2.4–20mA電流控制環(huán)路等效電路。

電流控制環(huán)線，RW

流過電線的電流由于導(dǎo)線中的電阻而產(chǎn)生壓降，該電阻與長度和線規(guī)成正比，以歐姆/1，000 英尺表示。該壓降表示為 V烏爾曼在圖 2 中。

發(fā)射機

這是用于將電阻溫度檢測器 （RTD） PT100 等傳感器的溫度等真實物理屬性轉(zhuǎn)換為通過控制回路電線的電流的基本設(shè)備，從而調(diào)節(jié)電流回路中的電流。任何電流環(huán)路中只能有一個變送器輸出。環(huán)路電流水平由變送器調(diào)節(jié)，使其與實際傳感器輸入信號成比例。一個重要的區(qū)別是，傳輸?shù)男盘柌皇黔h(huán)路中的電流，而是它所代表的傳感器信號。變送器通常使用4mA輸出來表示校準的零輸入，并使用20mA輸出來描述校準的滿量程輸入信號。

負載電阻，RL

測量電壓比測量閉環(huán)電路中的電流容易得多。因此，許多電流環(huán)路電路使用負載電阻RL將電流轉(zhuǎn)換為電壓。在圖2中，RL是本演示板中使用的250Ω精密電阻。流過RL的電流產(chǎn)生電壓，可通過控制器的模擬輸入輕松測量，例如MAX11300器件中的集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。對于250Ω電阻，環(huán)路電流為4mA時電壓為1VDC，環(huán)路電流為20mA時電壓為5VDC。4–20mA環(huán)路中最常見的RL為250Ω;但是，根據(jù)應(yīng)用的不同，可以使用100Ω至750Ω的電阻。

MAX11300 4–20mA發(fā)送器

MAX11300在單個集成電路中集成PIXI、? 12位、多通道、ADC和12位、多通道、緩沖DAC。該器件提供 20 個混合信號高壓、雙極性端口，可配置為 ADC 模擬輸入、DAC 模擬輸出、通用輸入 （GPI）、通用輸出 （GPO） 或模擬開關(guān)端子。MAX11300為12位混合信號應(yīng)用提供高度靈活的硬件配置。該器件最適合需要混合模擬和數(shù)字功能的應(yīng)用，例如此 4–20mA 電流控制環(huán)路。

圖3是MAX11300 PT100 RTD至4–20mA電流控制環(huán)路發(fā)送器的框圖。子板由模擬前端輸入傳感器RTD PT100和超精密、低噪聲、零漂移運算放大器MAX44248組成。該傳感器模塊的基本工作原理是測量溫度，然后由MAX44248 IC放大，并由MAX11300器件中的DAC轉(zhuǎn)換為4–20mA電流。

由于RTD元件電阻率的變化，溫度的變化會導(dǎo)致惠斯通電橋的電流電阻發(fā)生變化。當(dāng)溫度范圍為-40°C至+70°C時，在惠斯通電橋上觀察到510x放大器的輸入1和輸入2的差分動態(tài)電壓范圍約為6mV。

圖3.MAX11300 PT100 RTD至4–20mA發(fā)送器框圖

增益級用于放大惠斯通電橋產(chǎn)生的非常小的差分電壓。跳線 J4 和 J5 提供使用放大器級或旁路級的選項。使用時，使用MAX44248獲得510倍差分電壓，然后由MAX11300器件的ADC數(shù)字化。雙通道放大器級（MAX44248）用作510倍差分放大器。增益可以通過改變電阻R30和R31來改變，以匹配惠斯通電橋所需的信號范圍，保持適當(dāng)?shù)妮斎胄盘柗秶万?qū)動MAX11300 IC差分ADC的放大器的輸出擺幅。模擬前端電路見圖4。RTD至4–20mA板和MAX11300EVKIT的完整原理圖可在 www.maximintegrated.com 在線獲取。

圖4.RTD 信號調(diào)理/模擬前端電路。

MAXQ2000微控制器校準溫度，并將PT100轉(zhuǎn)換的溫度讀數(shù)對應(yīng)的電壓映射到差分ADC，差分ADC又命令配置的DAC提供所需的電流。該發(fā)射電流也可以通過MAX11300器件中配置的ADC精確測量。

對于每個RTD至4–20mA的發(fā)送器，需要4個端口配置為1個電流發(fā)送器DAC、1個差分輸入ADC和1個單端ADC，以測量發(fā)射電流。因此，僅使用單個MAX11300即可實現(xiàn)多達5個RTD發(fā)送器，從而顯著節(jié)省電路板空間和成本。

PIXI MAX11300 4–20mA 電流控制環(huán)路的評估

為了評估PIXI MAX11300 4–20mA電流控制環(huán)路應(yīng)用，需要以下評估套件和測試儀器。

1. MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD轉(zhuǎn)4–20mA發(fā)送器板
2.MAX11300評估板
3.RTD 福祿克 724 校準器用作 PT100 傳感器
4.安培表

分步說明

將MAX11300評估板的J2連接器連接到MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD至4–20mA發(fā)送器板的J1連接器，如圖5所示。

圖5.MAX11300EVKIT連接至RTD至4–20mA發(fā)送器

關(guān)閉電源時，將+12V電源連接至MAX11300EVKIT的“AVDDIO”，并接地至“GND”連接器。

將電流表連接到MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD至4–20mA板的“AMP1”跳線。

將 RTD Fluke 724 溫度校準器連接到 MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD 至 4–20mA 板的引腳 J3-2 （IN+） 和 J3-3 （IN-）。按福祿克 724 上的 RTD 按鈕選擇 PT100。

下載最新版本的MAX11300評估軟件GUI，MAX11300EVKitSetupV1.2.zip。將軟件保存到臨時文件夾并解壓縮 ZIP 文件。

安裝并運行軟件 GUI。

打開電源。

運行配置軟件并配置寄存器，如圖 6 所示。 在本練習(xí)中，端口18和19用于配置從RTD連接到放大器的差分ADC到4–20mA板。端口 17 配置為發(fā)送器 DAC，發(fā)送的電流測量 ADC 配置為端口 16。

圖6.MAX11300控制環(huán)路寄存器配置

要生成配置寄存器文件，請選擇文件>生成寄存器，并將文件保存為“MAX11300寄存器RTD-4–20mA.csv”。

在MAX11300EVKIT軟件主菜單中，選擇文件>負載配置，加載配置寄存器文件“MAX11300寄存器RTD-4–20mA.csv”，如圖7所示。

圖7.正在加載配置寄存器。

從下拉菜單中選擇選項>控制環(huán)路和“4–20mA 環(huán)路驅(qū)動端口 17、檢測端口 16、參考端口 18”，如圖 8 所示。

圖8.控制回路選擇。

要執(zhí)行校準，請從下拉菜單中選擇選項>控制環(huán)路和“校準4–20mA環(huán)路端口17、16、18”，如圖9所示。

現(xiàn)在出現(xiàn)了一個新的彈出窗口，如圖 10 所示。

在“PLC 分流器（電流表）電阻”框中輸入“17”。

按“驅(qū)動4mA”按鈕。觀察電流表上顯示的電流值并將其記錄到“測量電流”框中。

同樣，按“驅(qū)動20mA”按鈕。再次，觀察電流表上顯示的電流值并將其記錄到“測量的電流”框中。

從下拉菜單中選擇“選項”和“輪詢”以開始測試。參見圖 11。

圖 11.輪詢選擇。

選擇“數(shù)據(jù)”以查看測試結(jié)果，如圖 12 所示。

圖 12.查看數(shù)據(jù)結(jié)果。

調(diào)整福祿克 724 上的箭頭按鈕，將溫度設(shè)置為 -40°C。 觀察安培表上的電流顯示為4mA。

同樣，調(diào)整福祿克 724 上的箭頭按鈕，將溫度設(shè)置為 +70°C。 觀察安培表上的電流顯示為20mA。

測試結(jié)果

4–20mA與RTD溫度的關(guān)系圖如圖13所示。

圖 13.4–20mA 環(huán)路電流與 RTD 溫度的關(guān)系

圖 14.誤差變化與溫度的關(guān)系

結(jié)論

PIXI MAX11300具有12位DAC輸出，能夠提供25mA的最小電流，是4–20mA電流控制環(huán)路發(fā)送器的理想器件。此外，由于MAX11300共有20個端口，因此使用單個器件可以實現(xiàn)多達5個發(fā)送器，但設(shè)計發(fā)送器只需要4個端口。測試結(jié)果表明，在整個4–20mA環(huán)路電流范圍和-40°C至+105°C的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，誤差變化小于0.6%。

審核編輯：郭婷