参考文献

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//www.xmece.com/configurable-mixed-signal．

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介绍

模拟4-20 mA电流回路是工业环境中最常用的通信总线之一，在工业环境中需要环境变量、过程传感和控制。这种总线类型是以它的最大和最小电流值命名的;4 mA和20 mA。电流回路不仅用于接收来自传感器和现场仪表的信息，还用于向执行机构或其他设备发送控制信号，以调节受控动作。

自20世纪50年代在许多工业应用中，自20世纪50年代以来，已经使用了电流循环，例如4-20 mA。亚博国际官网平台网址由于低实现成本，由于非电压依赖性而导致的高噪声抗扰度，并且能够有效地长距离使用，总线具有吸引力。

这些特性是使用4-20 mA环路进行信号和控制的主要原因。由于这个原因，有几个工业传感器实现了4-20 mA输出，以表明他们的测量。现场仪表传感器，如压力传感器、温度传感器、液位或流量传感器、pH传感器和气体传感器实现4-20 mA连接到它们的输出。此外，还有一些执行器，如阀门，可以通过4-20 mA回路控制。

有几个不同品牌的商业IC的实现一个4-20 mA总线接收器。

在本应用笔记中，aGreenPAK™是一种输出4-20 mA的氧气传感器，用于检测工业环境中对人类有害的氧气浓度。应用程序笔记实现了模拟测量和数字逻辑所需的集成浓度水平报警。该应用程序还具有可配置的极限值，以检测超出水平的浓度。采用SLG46621V实现4- 20ma总线接收机。

4-20 MA输出一般特征

如前所述，在工业和嘈杂的环境中，模拟4-20 mA电流循环是用于电子测量和控制的最常用的总线之一。这些总线不仅用于控制阀门或其他执行器，它们也用于将传感器信息从现场仪器传输到控制中心。

4- 20ma电流回路的主要优点是:

• 数据传输不受互连布线上的电压降的影响，这意味着它可以在长距离上使用，而信号的劣化较小。
• 它允许系统实现自我监控例程，因为小于4 mA的电流和高于20 mA可以指示电路中的故障
• 4-20 mA的电流回路，经常也被用来给远程设备供电。
• 4 mA的“活”或“升高”零允许设备通电，即使没有过程信号输出从现场发射机。

4-20 mA的通信总线基于基尔霍夫电流定律，即流向某一点的电流之和等于从该点流出的电流之和。根据这一原理，回路开始处的所有电流都必须到达回路结束处。

这一定律是解释4-20 mA回路行为的基本原理。在系统的任何位置上的电流都可以被测量并发现是相同的结果。这也是在工业应用中使用低阻抗电流环的主要原因;亚博国际官网平台网址它们提供的好处是获得更长的数据路径和更好的抗噪声能力。图中可以看到4-20 mA回路的方案图1．

测量4-20 mA电流回路信号最常用和简单的电路之一是分流电阻电路。

该电路基于欧姆的法律。假设检测电阻远低于200kΩ，通过考虑我们的接收设备可以处理的最大电压来进行检测电阻值的选择。利用最大电压已知，然后通过以下表达式计算电阻器：

为了不加载接口电路，建议采用基于运算放大器的电子缓冲器。图中显示了一个电子电路，该电路通常用于4-20 mA的数字设备接口和模拟输入图2．

分流电阻分为两个半部分。这允许电路通过将分流电阻的中间电压固定到局部地，防止电压变得高于所需值。差分分流电阻电压与单个端电压转换为单个端电压，该操作放大器在Unity增益处具有差分放大器配置。选择运算放大器电路的电阻值以不加载电流回路。

原理图

为了表明GreenPAK该应用笔记可用于接口4-20 mA总线，实现适用于工业应用的氧浓度水平警报。亚博国际官网平台网址在某些环境中，检测人类的危险氧浓度是一个重要的安全任务。

众所周知，氧气是一种至关重要的气体，典型的氧气浓度为20.9% v/v。如果环境中的氧浓度低于19.5% v/v，则可认为是缺氧环境。氧浓度低于16% v/v对人体是不安全的。

此外，高浓度的氧气对人体也有风险。如果氧气浓度升高，物料和气体的可燃性增加。例如，如果氧气浓度高于24% v/v，一些元素(如衣服)就会自发燃烧。

为了实现氧浓度警报，使用来自霍尼韦尔的传感器。MF020-2-LC3传感器的测量范围为0.1％V / V至25％V / V，具有4-20 mA模拟输出和24 VDC的电源。

利用Dialog SLG46621集成电路测量传感器输出，采用该集成电路的可编程增益放大器(PGA)和模数转换器(ADC)。为此，必须考虑模拟转换器的最大输入电压。

如果ADC内部参考电压为1.2 V，并且具有单位增益，则转换器的最大输入电压为1 V。通过应用R感觉上一节中显示的表达式，分流所需的电阻值是：

用选定的R感觉，当电流回路有4 mA和20 mA时，将获得的输出电压分别为200 mV和1V。最小电压电平符合SLG46621 ADC的最小输入电压，即30 mV。

在图3，给出了将MF020-2-LC3传感器与SLG46621接口所必须使用的电子电路。用于此应用的运算放大器是SLG88103。

V出去4- 20ma输出信号连接到SLG46621芯片的模拟输入端，如图所示图3．

执行

用于氧浓度水平报警的4-20 mA接口的实施采用SLG46621V制造GreenPAK．这个IC有一个模拟数字转换器，和几个数字比较器，可以用来分析在ADC的输入电压。要配置比较级别，需要使用内部比较器寄存器。中可以看到实现的框图图5．

允许的氧气浓度上限和下限配置在寄存器中。这是通过考虑ADC的8位分辨率来实现的。输入电压1v转换为255，对应25% V / V的氧气浓度。考虑到这一点，必须为所需浓度配置的比较值可以如下计算。

在本例中，所需的最小浓度为16%，因此相应的寄存器必须配置为163。允许的最大浓度是22%，因此相应的寄存器必须配置为225。

为了实现模拟到数字的转换，必须配置SLG46621V的ADC和PGA。图6显示了PGA配置，它被配置为具有单位增益的单端ADC。

PGA将模拟输入定义为PIN 8GreenPAK™．ADC互补配置定义内部RC振荡器作为时钟源和内部1.2 V稳压器作为电压参考。这可以在图7．

将ADC输出与DCMP0和DCMP1中的配置值进行比较。在图8和图9可以看到DCMP的配置。它们被配置为比较ADC输出值与内部寄存器。

图8:系统图

图9:系统图

当比较器的IN+输入比IN-输入高时，每个数字比较器的OUT+输出就会高。在这种情况下，当ADC高于配置值时，DCMP0 OUT+输出将是高的。这个比较器用作高级检测器，所以这个OUT+信号直接连接到PIN 19，寄存器0配置为225。

当ADC高于配置值时，DCMP1 OUT +输出将很高。因为此DCMP用作低电平检测器，所以必须反转OUT +输出以连接到引脚18.这是用2位LUT4完成的，其配置显示图10．DCMP将ADC转换与寄存器3上配置的值进行比较。

引脚18和19为电平检测器输出，分别代表低电平检测器和高电平检测器。引脚8是模拟输入。在图11，图12和图13，则显示它们的结构。

图11:PIN8配置

图12：PIN18配置

图13：PIN19配置

整个氧气浓度报警实现如图所示图14和图15，其中矩阵0和矩阵1的Dialog SLG46621VGreenPAK所示。

测试

为了测试实现，制作了一个模拟的4-20 mA氧气传感器输出。这个输出具有传感器输出的全部范围，它被表示为一个三角波。电流呈线性增大和减小的趋势，反映了氧浓度的变化。

将仿真信号连接到接口电路上，使用SLG46621V进行测量。为了分析结果，用示波器记录了引脚18和19。

在图16，可以通过SLG46621V的低电平指示看到模拟传感器输出。它显示了当传感器输出低于配置值时，引脚18的输出如何保持低。

在图17，可以通过SLG46621V的高级指示看到模拟传感器输出。它显示了当传感器输出高于配置值时，引脚19的输出如何保持高。

结论

在本应用笔记中，我们实现了一个4-20 mA的接口，用于测量氧传感器的输出，以检测超出量程的氧浓度。由于母线的高抗噪性和与长途布线的兼容性，大多数工业传感器和执行器都使用4-20 mA电流回路。

有几种接口到4-20 mA输出的方法。在这个应用笔记中，一个最简单和最常用的方法解释4-20 mA线显示。它也描述了信号如何可以条件反射与对话测量GreenPAK采用集成的模数转换器。

opamp的大小GreenPAK测量系统小于许多其他实现，并且可以通过将更多的逻辑结合到SLG46621V中的更多逻辑进一步降低。