本應用筆記回顧了4–20mA電流控制環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的應用，具有12位模數轉換器（ADC）、12位數模轉換器（DAC）、模擬開關和GPIO，用于測量-40°C至+70°C溫度范圍，精度低于0.6%，是發送器的首選。

介紹

溫度是工業過程控制和自動化中最廣泛測量的參數之一，4-20mA電流控制環路可能是工業中最常用的模擬傳輸標準，用于將數據從遠程傳感器傳輸到中央控制中心的可編程邏輯控制器（PLC）通過雙絞線電纜。本應用筆記回顧了該傳輸標準的工作原理、優勢，以及MAX11300 20端口可編程混合信號I/O與12位模數轉換器（ADC）、12位數模轉換器（DAC）、模擬開關和GPIO的應用，用于測量-40°C至+70°C溫度范圍，精度小于0.6%，是該4–20mA控制環路中發送器的首選。

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電流控制環路框圖

在圖1中，從電源提供的電流通過導線流向4–20mA變送器，該變送器不僅是電流源，而且還調節通過控制環路的電流和電流大小。變送器允許的電流稱為環路電流，它與被測參數成正比。環路電流通過電線流回控制器，然后流經接收器電阻器接地并返回電源。流過接收器的電流產生電壓，可通過控制器或監測設備（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，當環路電流為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，表示控制環路斷開，從而提醒控制器潛在問題。

4–20mA電流控制環路的優點是信號的精度不受環路壓降的影響，因為與電壓不同，只要電源電壓大于環路中的總壓降，電流通過電導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的信號電平。如果在環路中使用交流電壓，電流的大小將不斷變化，因此難以區分正在傳輸的信號電平。直流電壓必須設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電流控制環路等效電路。

電流控制環線，RW

流過電線的電流由于導線中的電阻而產生壓降，該電阻與長度和線規成正比，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換為通過控制回路電線的電流的基本設備，從而調節電流回路中的電流。任何電流環路中只能有一個變送器輸出。環路電流水平由變送器調節，使其與實際傳感器輸入信號成比例。一個重要的區別是，傳輸的信號不是環路中的電流，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電路中的電流容易得多。因此，許多電流環路電路使用負載電阻RL將電流轉換為電壓。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器件中的集成模數轉換器（ADC）。對于250Ω電阻，環路電流為4mA時電壓為1VDC，環路電流為20mA時電壓為5VDC。4–20mA環路中最常見的RL為250Ω;但是，根據應用的不同，可以使用100Ω至750Ω的電阻。

MAX11300 4–20mA發送器

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） 或模擬開關端子。MAX11300為12位混合信號應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字功能的應用，例如此 4–20mA 電流控制環路。

圖3是MAX11300 PT100 RTD至4–20mA電流控制環路發送器的框圖。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轉換為4–20mA電流。

由于RTD元件電阻率的變化，溫度的變化會導致惠斯通電橋的電流電阻發生變化。當溫度范圍為-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的差分動態電壓范圍約為6mV。

圖3.MAX11300 PT100 RTD至4–20mA發送器框圖

增益級用于放大惠斯通電橋產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，保持適當的輸入信號范圍和驅動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 信號調理/模擬前端電路。

MAXQ2000微控制器校準溫度，并將PT100轉換的溫度讀數對應的電壓映射到差分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的發送器，需要4個端口配置為1個電流發送器DAC、1個差分輸入ADC和1個單端ADC，以測量發射電流。因此，僅使用單個MAX11300即可實現多達5個RTD發送器，從而顯著節省電路板空間和成本。

PIXI MAX11300 4–20mA 電流控制環路的評估

為了評估PIXI MAX11300 4–20mA電流控制環路應用，需要以下評估套件和測試儀器。

1. MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD轉4–20mA發送器板
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發送器板的J1連接器，如圖5所示。

圖5.MAX11300EVKIT連接至RTD至4–20mA發送器

關閉電源時，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 配置為發送器 DAC，發送的電流測量 ADC 配置為端口 16。

圖6.MAX11300控制環路寄存器配置

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>控制環路和“4–20mA 環路驅動端口 17、檢測端口 16、參考端口 18”，如圖 8 所示。

圖8.控制回路選擇。

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

現在出現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“數據”以查看測試結果，如圖 12 所示。

圖 12.查看數據結果。

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

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

測試結果

4–20mA與RTD溫度的關系圖如圖13所示。

圖 13.4–20mA 環路電流與 RTD 溫度的關系

圖 14.誤差變化與溫度的關系

結論

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

審核編輯：郭婷