满足工业需求的4–20mA电流环变送器设计考量及性能分析

4~20mA电流环变送器的有效位数(ENOB)计算如下：



根据表1中的数据，ENOB等于15.56位。所以，总分辨率误差小于0.5位允许自动校准，也可节省昂贵的精密元件数量。

表1所选电阻覆盖了3.2mA至24.6mA电流环动态范围。R1、R2、R3和RSENSE的不同组合可缩小动态范围，应密切注意每个电阻的温度系数(TC)。

变送器温度漂移误差分析

无源元件和VREF的温度漂移误差分析如表2所示。

表2：4~20mA电流环路发送器的温度误差分析。


利用下式计算最小和最大电阻偏移：





式中，TC为温度系数，单位为ppm/°C；ΔT为总温度范围145°C。

从表2可知，当R1、R2、R3和RSENSE的温度系数取以下值时，得到的误差为0.05%FS。

R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C

R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C

R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C

RSENSE = 10? ±0.1%，10ppm/°C

注意，总误差为每个误差源的平方和的平方根：元件容限、元件温度系数、测量值等。

如果智能传感器的耗流超过3.4mA，则不能用于环路供电的2线变送器。例如，当微控制器或ADC的耗流超过3mA，或者检测元件需要较高供电电流来提高动态范围和/或分辨率时，就会发生这种情况。此时，额外的电流必须通过附加的第三根线。可改进这种配置(称为3线发送器)，如图2所示，该设计使其成为通用的2线或3线智能传感器变送器。


图2：通用2线或3线智能变送器框图。

图2中的U5运算放大器和Q3缓冲器监测虚地，持续维持智能变送器的公共端，使其保持在U4输出的恒定电压。U5运算放大器必须能够支持12V最大供电电压，PLC RLOAD/检测电阻值高达250Ω。C8和R8负反馈网络稳定环路电流，以及确保正常预期条件下的稳定性。

选择功率晶体管和保护元件

功率晶体管Q1无特殊要求，可以是MOSFET或双极型功率晶体管，满足最大安全、工作区要求即可。例如，如果环路电源为36V，最大限流为35mA，那么最大功耗要求为1.26W。要谨慎处理PCB的布局、走线宽度及散热能力。

肖特基二极管(D1)(见图1)为安全器件，防止反向电流损坏变送器。此外，可在LOOP+和LOOP-输入之间增加一个瞬态电压抑制器(D2，方框图中未显示)，防止过压浪涌。D1和D2的要求取决于具体应用的安全规格。

设计方案测试

设计4~20mA环路供电变送器评估板(EV)MAX5216LPT，采用1000ft 22线规屏蔽通信电缆和249Ω±0.1%电阻进行特征分析。利用Agilent HP3458A DVM测量负载电阻压降，测得环路电流。MAX5216 DAC的特征数据绘制于图3至图8。


图3：25°C下变送器误差，MAX5216 DAC数据。


图4：变送器误差变化与温度的关系曲线，环路电源12V。