電壓電流變送集成電路AM462原理及應用

    模擬工控網上用的4-20 mA 標準電流信號是工業上最常用的信號傳輸方法之一。本文將介紹二線制方式的標準電流輸出為4-20mA 的變送電路。通過對集成電路AM462（電壓電流轉換變送電路）的應用舉例，介紹了如何實現工業上常用的二線制變送介面電路，而它可以為程式控制機PLC 等直接傳輸信息。針對不同的控制設備，介紹了相應的電路元器件的計算方法。
    注意：下面的介紹對於AMG 公司生產的所有電壓電流轉換集成電路（AM400, AM402,AM422, AM442, AM460）原則上都是適用的[1]。

模擬電路介面
    工業上通常用電壓0-5(10)V 或電流0(4)-20mA 作為模擬信號傳輸的方法，也是被程式控制機經常採用的一種方法。那麼電壓和電流的傳輸方式有什麼不同，什麼時候採用什麼方法，下面將對此進行簡要介紹。

電壓信號傳輸 比如0-5(10)V
    如果一個模擬電壓信號從發送點通過長的電纜傳輸到接收點，那麼信號可能很容易失真。原因是電壓信號經過發送電路的輸出阻抗，電纜的電阻以及接觸電阻形成了電壓降損失。由此造成的傳輸誤差就是接收電路的輸入偏置電流乘以上述各個電阻的和。如果信號接收電路的輸入阻抗是高阻的，那麼由上述的電阻引起的傳輸誤差就足夠小，這些電阻也就可以忽略不計。要求不增加信號發送方的費用又要所提及的電阻可忽略，就要求信號接收電路有一個高的輸入阻抗。如果用運算放大器OP 來做接收方的輸入放大器，就要考慮到此類放大器的輸入阻抗通常是小於 <1MΩ 。原則上，高阻抗的電路特別是在放大電路的輸入端是很容易受到電磁干擾從而會引起很明顯的誤差。所以用電壓信號傳輸就必須在傳輸誤差和電磁干擾的影響之間尋找一個折中的方案。

電壓信號傳輸的結論：如果電磁干擾很小或者傳輸電纜長度較短，一個合適的接收電路毫無疑問是可以用來傳輸電壓信號0-5(10)V 的。

電流信號傳輸 比如0(4)-20mA
    在電磁干擾較強的環境和需要傳輸較遠距離的情況下，多年來人們比較喜歡使用標準的電流來傳輸信號。
    如果一個電流源作為發送電路，它提供的電流信號始終是所希望的電流而與電纜的電阻以及接觸電阻無關，也就是說，電流信號的傳輸是不受硬體設備配置的影響的。同電壓信號傳輸的方法正相反，由於接收電路低的輸入阻抗和對地懸浮的電流源（電流源的實際輸出阻抗與接收電路的輸入阻抗形成並聯迴路）使得電磁干擾對電流信號的傳輸不會產生大的影響。

電流信號傳輸的結論：如果考慮到有電磁干擾比如電焊設備和其他信號發射設備，傳輸距離又必須很長，那麼電流信號傳輸的方法是適合這種情況的（模擬信號傳輸）。實際上經常採用的電流傳輸方法有二線制和三線制方法。由於二線制的重要意義，在這裡將主要論述二線制方法，也叫電流迴路方法。

電流迴路的綜合特性

•  簡單的使用：如果信號發送電路和相聯接的其他電路的工作電流保持常數不變，那麼該工作電流和信號電流就可以通過同一根電纜來傳輸。人們只需用一個負載取樣電阻，而電流在負載電阻上的電壓降就可以作為有用的信號。當然還應該注意工作電壓要足夠高，以滿足電流迴路里所需要的電壓降。
•  低廉的成本：與數字信號傳輸需要一個AD 轉換，一個單片機和一個合適的驅動電路相比，用簡單的電流迴路方法，人們只需要一條電纜，一個負載電阻和一個測量電壓表。特別當對測量精度要求高的時候，二者產品成本的差別就更加明顯了。
•  錯誤診斷：4-20mA 電流信號傳輸的優點除了傳輸距離遠和抗干擾能力強外，還會自動提供出錯信息。在一個經過校準的系統輸出零信號時（輸出端為電流4mA），如果接收到的信號大於零毫安而小於4 毫安時，就說明此時系統一定有問題。如果接收到的電流信號為零，那麼一定是電纜斷了或者信號接收方面出了問題。如果電流信號超過20mA 就意味著輸入端方面的信號過載或者信號接收方面有問題。
•  長距離傳輸：傳輸距離與發送信號端的驅動能力和電纜的電阻以及接收端的測量電阻（負載電阻）有關。如果在信號傳輸的電纜中也要安裝測量儀錶，那麼負載電阻還應該考慮到測量儀錶的輸入阻抗和監測記錄儀錶的輸入阻抗。這些儀錶常常因為成本低廉和無需外加電源而與集成電路一樣共同連接在電流迴路中並從4mA 中直接獲得工作電源。因此在電路設計時要考慮到電流源迴路的帶載能力。

二線制電流信號傳輸
    最簡單的情況就是一個可調的電流源和電阻組成的電流信號發送方和接收方（從負載電阻處接收信號），見圖1。
 
    在圖1 中對發送方有一個假定，就是它應該產生一個與測量值相關的所希望的信號電流I_OUT = 4-20mA。電阻R_L 作為接收方，可以測量它上面的電壓降V_A 或者直接測量串聯在電路里的電流表得到I_OUT。實際上發送方常常由很多功能電路組合在一起的。在感測器領域內，發送方常作為信號測量轉換器，包含有感測器，給感測器供電的工作電源和一個電流源（圖2）。電流源迴路除了可以變送測量信號外還可以作為隔離放大器用於PWM調製脈寬信號的輸出級，或者簡單地作為電壓輸出的信號源。
 
圖2：完整的電流信號變送電路
    通常感測器信號或PWM調製脈寬信號是從零到一個滿度值（FS）變化，那麼對於電壓控制的電流源就必須能夠生成一個零點為4mA 和滿度值為20mA 的電流信號（差值為16 mA）。在工業控制中，控制設備（控制室）常常同測量信號變送電路有較遠的距離。如果把電源線同時也用作信號傳輸線，一共只用二根導線就可以進行信號傳輸，那麼成本就會下降，電路就會更簡單合理，這就是所謂的二線制電流傳輸方法。
 
圖3：二線制的應用電路
    如圖3 所示，人們提供一個來自控制設備（控制室）的工作電源，它可以同時給多個變送電路提供電源。

AM462-二線制的變送電路
    本文描述的電壓控制的電流源是由Analog Microelectronics （AMG 公司）開發生產的AM462 專用集成電路，它的工作電源最大可達35 V。AM462 可以將測量的單端接地電壓信號轉換變送成工業標準的電流輸出4…20mA（圖3）。為了能弄清AM462 轉換變送集成電路和它的一些附加功能，這裡先介紹一下AM462 電路。
 
    作為核心電路的AM462（圖4）是一個多級放大電路和一些其他功能電路以及保護電路所組成，它們都可以任意選用。這些以模塊形式組成的電路比如運算放大器，電壓電流轉換，參考電壓源，參考電流源，可以通過外面電路連接組合使用也可以單獨使用（見圖5 和圖6）。
 
圖5：AM462 的二線制4-20mA 的應用電路圖
    下面簡要介紹AM462 的各個功能模塊情況：

1.  運算放大器OP1 用來放大單端接地電壓信號（正信號），放大倍數可通過外接電阻來調整。
2.  電壓電流轉換模塊提供一個電壓控制的電流信號到集成電路的輸出端，該信號直接控制外置的三極體並最終輸出工業標準的電流信號。由於功耗的原因將三極體外置，在極性反接時一個附加的二極體起到保護作用。
3.  AM462 上的參考電壓源可為外接電路比如感測器，微處理器等提供工作電源，這樣也簡化了二線制的電路。參考電壓源可提供5 到10V 的電壓並且可調。
4.  附加的運算放大器OP2 可用作為電壓源或電流源來使用，也可以為外接電路提供工作電源。OP2 的正輸入端是連接在內置的固定電位VBG 上，這樣可以通過外面的二個電阻調整輸出的電壓或輸出的電流大小。

    AM462 的參數計算和應用舉例在產品說明書中有詳細介紹[1]。
    AM462 具有很多保護功能，比如OP1 具有輸入信號過載保護功能。在整個工作電壓範圍內，電流輸出級具有極性保護功能和輸出電流限制功能並保護三極體不被損壞。要注意在二線制方式中，一些附加的電流負載比如在圖6 中，OP2 的工作電流和集成電路本身的工作電流都被限制在4mA 之內，就是說系統的總工作電流（AM462 和所有外接的元器件）不能超過IOUTmin = 4mA，特別要考慮到環境對工作電流的影響比如環境溫度，它會使工作電流發生變化。
 
圖6：AM462 與測量電路（AM462 提供3.3V 工作電壓）

電流信號變送電路AM462 的實際應用
    圖6 是AM462 的電流信號變送電路的實際應用電路圖。這裡假定測量電路的工作電壓為3.3V，它由AM462 提供。GND 是變送電路所有元器件包括電流源在內的一個虛擬的參考電位（虛地）。用於過壓保護的電容器和齊納二極體也是相對於GND 而言的。GND 通過負載電阻RL 與系統地Ground（大地）相連，它們之間的電位是不等的。
GND ≠ Ground
VCC 是集成電路AM462 的工作電壓，VA 是負載電阻的電壓降，它們與外加的對大地而言的工作電源VS 的關係為：
V_S = V_A + V_{CC min}.
而V_CCmin 為：
V_CCmin =V_Ref +1V 和 VS = 6 /11…35V
    有多少檢測儀器可以接入電流迴路和傳輸電纜可以有多長由下面的式子給出（見圖7）。
 
    Rl 是電纜電阻，RL 是負載電阻，VM 是檢測儀器二端的電壓降，由圖6 可知：
V_S ≥V_{CC min} +V_A 或者 V_Amax = V_S-V_{CC min}
 
圖7：控制系統的電流變送技術應用
如果RL , VM 和 VS 已知或事先給定，那麼根據公式
 
（ρ = 電導率，銅ρ =0,016 Ωm²/m；l 是電纜長度，單位是米；A 是電纜的截面積，單位是mm²），就可以算出電纜的最大長度或者算出可允許串入的檢測儀器數量。考慮到電磁干擾的影響，有關負載電阻RL 的值應該是低阻值的，但也受到測量儀器的解析度的限制（在小電流時負載電阻RL 上的電壓降測量）。
    圖7 是一個感測器信號二線制電流變送傳輸技術應用電路圖。在電流迴路中串聯了相應的檢測設備，就像在工控設備中比如PLC 等所需要的一樣。

總結
    信號數字化傳輸方法越來越多，但是模擬電流4-20mA 信號的傳輸在今天仍然是工業上最普遍的抗干擾效果很好的一種信號傳輸方法。
    本文介紹了二線制變送電路設計和信號傳輸中要注意的問題。通過專用變送集成電路AM462 的例子說明了如何簡單地開發一個電流變送電路和電流信號傳輸本身所能帶來的好處。

參考文獻：
所有參考資料參見網站：www.analogmicro.de 和www.sym-china.com
[1] 產品說明書 AM400，AM402， AM422，AM442 和 AM460
[2] 應用介紹 AN1014