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如何设计高精度可靠的4-20mA通信?

关键词:模拟量 电路设计 数字通信

时间:2019-05-24 10:19:58       来源:网络

  使用4-20mA模拟量进行通信时,无论是发射端还是接收端的电路设计相对于数字通信都会比较复杂,那为什么还要使用呢?本文将结合设计案例带你了解4-20mA通信。

  1、为什么使用4-20mA通信?

  在远距离、复杂的工业现场应用场合常常伴随有较大的干扰源,磁场辐射干扰、传导干扰等,如果使用传统的数字通信容易受到干扰,因为接收端的输入阻抗无穷大,在受到微弱噪声信号干扰后,会产生较高的电压噪声,不利于数据传输以及接口的安全使用规范。而使用模拟量(4-20mA)进行通信时,由于耦合的噪声信号较为微弱,通常为nA级别,则不受此影响,而且电流源驱动没有线压降问题。


  2、4-20mA代表了什么数据意义?

  基于国际标准文件提出的《过程控制系统用模拟信号(第一部分):直流电流信号(GB/T 3369.1-2008/IEC 60381-1:1982)》中规定了4-20mA信号为首选直流电流通信信号,如表一:直流电流信号范围所示。文件中规定在采用4-20mA通信信号的情况下,4mA代表原始数据的0刻度,20mA代表原始数据的满刻度,0mA作为断电、断线检测。


  如远端PT100热电阻温度监测系统,通过4-20mA通信方式将远端现场数据传回PLC,实现对现场温度变化监测。PT100的测量范围为-200-850℃,则4mA代表-200℃,20mA代表850℃,实际温度计算公式如下:

  T=(850+200)℃/(20-4)mA*(I-4mA)-200℃
  其中:T为当前测试温度;I为当前采集电流;一般用低于2mA代表热电阻测温模块系统断电或者通信线路断线。

  3、4-20mA通信系统的一般电路设计

  4-20mA模拟量通信电路如图二 4-20mA通信电路架构所示,应用现场前端由传感器组成,经由变送器将非标准的传感器信号转换为标准4-20mA通信信号,再发送到远端控制设备,由接收器接收上传至PLC控制端。

  目前市面上有较多的传感器设备或者执行器的成品模块已经集成了4-20mA通信功能,用户只需要自己搭建接收模块即可。接收模块正如下图二 4-20mA通信电路架构所示,包含了采样器、信号调理电路、ADC(模数转换)以及MCU(数据传输以及处理)。但如果4-20mA通信携带的是一个高精度、数据范围比较宽的数据时(比如上个章节所提及的远端PT100热电阻温度监测系统,数据量范围-200-850℃,精度0.1%±1℃取最大值),接收模块精度达不到0.1%,则会引起数据传输误差,发挥不了传感器性能,那怎么去确保接收模块的采样数据准确呢?


  4-20mA通信电路架构

  首先我们先来分析一下接收链路可能导致采集精度误差的原因:a、采样电阻的初始精度以及工作在极限环境(高低温max)下时,电阻温漂引起采样电压的漂移;b、调理电路,该电路限制采样精度的因素比较多,如运放的失调电压、输出噪声、衰减或增益网络误差引起ADC端的电压采集误差;c、ADC单元电路误差,如基准漂移、基准噪声,电源噪声、PCB布局等这都是外部影响ADC转换精度因素;d、ADC自身所带来的转换精度误差,如ADC的失调误差、增益误差,无噪声分辨率低、积分非线性差等问题,带来转换精度误差。

  为了缩短用户的开发周期, ZLG推出了一款带有隔离功能的高精度模拟量采集模块(TPS08U)一次性解决了如上所有问题。该模块在设计上,考虑了如上的所有因素,采用极低温飘的电阻,号称零漂移的运放,24bit分辨率的ADC,在极优的参数下选取最具性价比元器件,并优化layout走线布局等实现以最小体积达成8通道测量。同时,每个模块出厂均通过严格的测试校准,保证出厂的每个模块都能达到指标要求。


  4、TPS08U模块使用简介

  TPS08U典型电路如下图所示,只需简单的外围电路就可以实现8通道的模拟信号采集(4-20mA and 0-5V),精度0.1%(电压为满量程精度)。模块电源采用3.3V供电,通信接口SPI,同时,模块集成了电源及通信隔离电路(隔离DC:2500V),尺寸大小长*宽*高:31.8mm*20.3mm*6.5mm。详细资料可向当地销售获取。

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