DH4～20mA模拟串口模块及其变送器电路设计[原创]

摘要：二线制4～20mA模拟串口环路作为电流遥测技术标准，以其众多优点得到广泛应用，本文介绍的DH4～20型DH4～20mA模拟串口模块与无源交流隔离传感器的组合，不但解决了交流电流电压信号的二线制4～20mA环路遥测问题，而且成本低，性价比高。本文简要介绍了这种模块的应用与测试，供读者选用参考。

关键词：4～20m恒流环路    测试电路   二线制变送器     典型应用电路  

一、概述： 标准化的模拟信号电流值为4～20mA的环路在发送数据以及控制那些易于以这一标准接受指令的某些执行器的过程中有广泛的应用。

   在国际上已做为模拟信号中的电流遥测技术标准。在利用两根导线的电流遥测电路中，工作电源与示读装置，包括传感器和发送导线的任何其他电阻都是相串联在环路内。其优点：

   1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；

   2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；

   3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

   4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；

   5、将4mA用于零电平，使判断开路或传感器损坏十分方便（0mA状态）；

   6,在两线输出口容易增设防浪涌,防雷器件,有利于安全防爆。    

   DH4～20mA模拟串口模块是是中科方舟公司采用意法半导体（ST）ASIC芯片为实现无源交流隔离传感器（互感原理）的二线制电流遥测技术手段而定型生产的单片模块产品。无源交流隔离传感器输入的电流信号经整流滤波和I/V转换后输出一个随I1线性变化的直流电压信号U2，U2作为浮地压控信号控制该模块输出4～20mA的电流环路（如图1所示）。

该模块实现了无源交流隔离传感器信号变换为两根连接线路发送的呈比例的环路电流，接受器通过测量已知电阻RL两端的压降对环路电流进行检测（如图2所示）

二、主要技术指标：

(1)额定环路电流：DC4-20mA（静态、满程可调节）
(2)额定控制端电压：DC0-5V±10%（静态、满程可调节）
(3)额定工作电压：+24V±20%
(4)控制端输入电流：≤100uA
(5)电源功耗：静态4mA，动态时相等与环路电流20mA
(6)非线性失真：0.1%FS
(7)输出电流温漂：≤50ppm/℃
(8)静态零电平：（4mA）   调节范围：4mA±25%（3mA-5mA）
(10)最小工作电压：15V  
(11)极限工作电压：≤35V
(12)输出电流保护：内部限制（TVS能力：24A，20us）
(13)接入保护：电源反接保护 （需外接1N4007二极管）
(14)工作温度： -40℃-80℃
(15)贮存温度： -50℃-100℃

三、外形照片：


四、最大负载电阻与工作电压之间的关系：

   为使电路正常工作，最大负载电阻RLmax即二根导线铜阻加RL（通常为了取得1～5V取样电压，选择250Ω/0.5W电阻）不能超过下式：  RLmax≤（VCC-10V）/20mA

五、典型电路试验：

①I/V转换电阻R*计算：已知U2=0.9I2R*=0.9（I2/N2）R*

      R*=U2/0.9I2

例：已知CT的I2=0.1A  R*=（6-7V）/0.9I2=66-77Ω

电阻消耗约0.6～0.7W，选功耗大于4倍，为2～3W功率的电阻。

②电路调试：当I1为零时，调RP2使IOUT等于4.000mA，当I1为满值时，调RP1使IOUT为20.000mA。

六、DH4-20测试电路：

①    静态零电平4mA调节范围

测试条件：VCC=24V      UIN=0V（静态）

步骤：改变RP1使UIN=0V，改变RP2观察IOUT的最大值和最小值。

               IOUT                    实测值（mA）

RP2↓     最小值3mA±0.3mA                 2.790

RP2↑     最大值5mA±0.3mA                 4.838

②    UIN-IOUT线性测试

测试条件：VCC=24V      RL=700Ω

步骤：1.将RP1调至UIN=0V

     2将RP2调至IOUT=4.000mA

     3.改变RP1从0～5V的UIN电位

UIN （V）         IOUT（mA）            实测值（mA）

0                 4.000                  4.002

1.250             8.000                  7.997

2.500            12.000                 11.998

3.750            16.000                 16.003

5.000            20.000                 20.008



③RL-VCC最大负载电阻与工作电压之间的关系

 测试条件：在上述②的测试条件UIN=5V，IOUT=20mA恒定状态下

 步骤：改变以下RL与VCC的对应关系，观察IOUT=20mA恒定状态

RL（KΩ）               VCC（V）              实测值（mA）

 0                        10                   20.003

 0.1                      12                   20.003

 0.2                      14                   20.005

 0.3                      16                   20.005

 0.4                      18                   20.005

 0.5                      20                   20.005

 0.6                      22                   20.005

 0.7                      24                   20.005

 0.8                      26                   20.010

 0.9                      28                   20.010

 1.0                      30                   20.010

 1.1                      32                   20.010

④满值20mA的恒流测试

 测试条件：VCC=24V         IOUT=20.000mA

 步骤：在上述条件下，改变RL从0～0.7KΩ，观察满值20的恒定状态

  RL（KΩ）                    IOUT实测值（mA）

    0                            20.021

    0.1                          20.020

    0.2                          20.019

    0.3                          20.017

    0.4                          20.016

    0.5                          20.015

    0.6                          20.014

    0.7                          20.013