PIXI MAX11300 4-20mA电流控制环路变送器

本应用笔记回顾了4–20mA电流控制环路传输标准的工作原理，以及MAX11300 20端口可编程混合信号I/O的应用，具有12位模数转换器（ADC）、12位数模转换器（DAC）、模拟开关和GPIO，用于测量-40°C至+70°C温度范围，精度低于0.6%，是发送器的首选。

介绍

温度是工业过程控制和自动化中最广泛测量的参数之一，4-20mA电流控制环路可能是工业中最常用的模拟传输标准，用于将数据从远程传感器传输到中央控制中心的可编程逻辑控制器（PLC）通过双绞线电缆。本应用笔记回顾了该传输标准的工作原理、优势，以及MAX11300 20端口可编程混合信号I/O与12位模数转换器（ADC）、12位数模转换器（DAC）、模拟开关和GPIO的应用，用于测量-40°C至+70°C温度范围，精度小于0.6%，是该4–20mA控制环路中发送器的首选。

详细说明

在双线制4–20mA控制回路中，变送器通常用于将各种过程信号（如流量、温度、压力等）转换为4–20mA直流电流，以长距离传输信号，长达2km，信号损失很小或没有，如图1所示。

图1.典型4–20mA电流控制环路框图

在图1中，从电源提供的电流通过导线流向4–20mA变送器，该变送器不仅是电流源，而且还调节通过控制环路的电流和电流大小。变送器允许的电流称为环路电流，它与被测参数成正比。环路电流通过电线流回控制器，然后流经接收器电阻器接地并返回电源。流过接收器的电流产生电压，可通过控制器或监测设备（如MAX11300）的模拟输入轻松测量。对于本演示板中使用的250Ω电阻负载，当环路电流为20mA时，电压为1VDC/4mA和5VDC。选择4mA最小电流，以便在测量0mA电流时，表示控制环路断开，从而提醒控制器潜在问题。

4–20mA电流控制环路的优点是信号的精度不受环路压降的影响，因为与电压不同，只要电源电压大于环路中的总压降，电流通过电导体的电流就保持恒定，并且电流不受噪声影响。

电源：

对于带 2 线变送器的 4–20mA 电流控制环路，常见电源电压为 12、15、24 和 36 VDC。2线制变送器的电源必须始终为直流电压，因为电流的大小代表正在传输的信号电平。如果在环路中使用交流电压，电流的大小将不断变化，因此难以区分正在传输的信号电平。直流电压必须设置为大于操作变送器所需的最小电压、电阻负载损耗、V 之和的水平RL，对于长传输距离，V乌尔曼如图2中的等效电路所示，线材下降。

图2.4–20mA电流控制环路等效电路。

电流控制环线，RW

流过电线的电流由于导线中的电阻而产生压降，该电阻与长度和线规成正比，以欧姆/1，000 英尺表示。该压降表示为 V乌尔曼在图 2 中。

发射机

这是用于将电阻温度检测器 （RTD） PT100 等传感器的温度等真实物理属性转换为通过控制回路电线的电流的基本设备，从而调节电流回路中的电流。任何电流环路中只能有一个变送器输出。环路电流水平由变送器调节，使其与实际传感器输入信号成比例。一个重要的区别是，传输的信号不是环路中的电流，而是它所代表的传感器信号。变送器通常使用4mA输出来表示校准的零输入，并使用20mA输出来描述校准的满量程输入信号。

负载电阻，RL

测量电压比测量闭环电路中的电流容易得多。因此，许多电流环路电路使用负载电阻RL将电流转换为电压。在图2中，RL是本演示板中使用的250Ω精密电阻。流过RL的电流产生电压，可通过控制器的模拟输入轻松测量，例如MAX11300器件中的集成模数转换器（ADC）。对于250Ω电阻，环路电流为4mA时电压为1VDC，环路电流为20mA时电压为5VDC。4–20mA环路中最常见的RL为250Ω;但是，根据应用的不同，可以使用100Ω至750Ω的电阻。

MAX11300 4–20mA发送器

MAX11300在单个集成电路中集成PIXI、™ 12位、多通道、ADC和12位、多通道、缓冲DAC。该器件提供 20 个混合信号高压、双极性端口，可配置为 ADC 模拟输入、DAC 模拟输出、通用输入 （GPI）、通用输出 （GPO） 或模拟开关端子。MAX11300为12位混合信号应用提供高度灵活的硬件配置。该器件最适合需要混合模拟和数字功能的应用，例如此 4–20mA 电流控制环路。

图3是MAX11300 PT100 RTD至4–20mA电流控制环路发送器的框图。子板由模拟前端输入传感器RTD PT100和超精密、低噪声、零漂移运算放大器MAX44248组成。该传感器模块的基本工作原理是测量温度，然后由MAX44248 IC放大，并由MAX11300器件中的DAC转换为4–20mA电流。

由于RTD元件电阻率的变化，温度的变化会导致惠斯通电桥的电流电阻发生变化。当温度范围为-40°C至+70°C时，在惠斯通电桥上观察到510x放大器的输入1和输入2的差分动态电压范围约为6mV。

图3.MAX11300 PT100 RTD至4–20mA发送器框图

增益级用于放大惠斯通电桥产生的非常小的差分电压。跳线 J4 和 J5 提供使用放大器级或旁路级的选项。使用时，使用MAX44248获得510倍差分电压，然后由MAX11300器件的ADC数字化。双通道放大器级（MAX44248）用作510倍差分放大器。增益可以通过改变电阻R30和R31来改变，以匹配惠斯通电桥所需的信号范围，保持适当的输入信号范围和驱动MAX11300 IC差分ADC的放大器的输出摆幅。模拟前端电路见图4。RTD至4–20mA板和MAX11300EVKIT的完整原理图可在 www.maximintegrated.com 在线获取。

图4.RTD 信号调理/模拟前端电路。

MAXQ2000微控制器校准温度，并将PT100转换的温度读数对应的电压映射到差分ADC，差分ADC又命令配置的DAC提供所需的电流。该发射电流也可以通过MAX11300器件中配置的ADC精确测量。

对于每个RTD至4–20mA的发送器，需要4个端口配置为1个电流发送器DAC、1个差分输入ADC和1个单端ADC，以测量发射电流。因此，仅使用单个MAX11300即可实现多达5个RTD发送器，从而显著节省电路板空间和成本。

PIXI MAX11300 4–20mA 电流控制环路的评估

为了评估PIXI MAX11300 4–20mA电流控制环路应用，需要以下评估套件和测试仪器。

1. MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD转4–20mA发送器板
2.MAX11300评估板
3.RTD 福禄克 724 校准器用作 PT100 传感器
4.安培表

分步说明

将MAX11300评估板的J2连接器连接到MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD至4–20mA发送器板的J1连接器，如图5所示。

图5.MAX11300EVKIT连接至RTD至4–20mA发送器

关闭电源时，将+12V电源连接至MAX11300EVKIT的“AVDDIO”，并接地至“GND”连接器。

将电流表连接到MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD至4–20mA板的“AMP1”跳线。

将 RTD Fluke 724 温度校准器连接到 MAX11300/MAX11301/MAX11311/MAX11312 RTD 至 4–20mA 板的引脚 J3-2 （IN+） 和 J3-3 （IN-）。按福禄克 724 上的 RTD 按钮选择 PT100。

下载最新版本的MAX11300评估软件GUI，MAX11300EVKitSetupV1.2.zip。将软件保存到临时文件夹并解压缩 ZIP 文件。

安装并运行软件 GUI。

打开电源。

运行配置软件并配置寄存器，如图 6 所示。 在本练习中，端口18和19用于配置从RTD连接到放大器的差分ADC到4–20mA板。端口 17 配置为发送器 DAC，发送的电流测量 ADC 配置为端口 16。

图6.MAX11300控制环路寄存器配置

要生成配置寄存器文件，请选择文件>生成寄存器，并将文件保存为“MAX11300寄存器RTD-4–20mA.csv”。

在MAX11300EVKIT软件主菜单中，选择文件>负载配置，加载配置寄存器文件“MAX11300寄存器RTD-4–20mA.csv”，如图7所示。

图7.正在加载配置寄存器。

从下拉菜单中选择选项>控制环路和“4–20mA 环路驱动端口 17、检测端口 16、参考端口 18”，如图 8 所示。

图8.控制回路选择。

要执行校准，请从下拉菜单中选择选项>控制环路和“校准4–20mA环路端口17、16、18”，如图9所示。

现在出现了一个新的弹出窗口，如图 10 所示。

在“PLC 分流器（电流表）电阻”框中输入“17”。

按“驱动4mA”按钮。观察电流表上显示的电流值并将其记录到“测量电流”框中。

同样，按“驱动20mA”按钮。再次，观察电流表上显示的电流值并将其记录到“测量的电流”框中。

从下拉菜单中选择“选项”和“轮询”以开始测试。参见图 11。

图 11.轮询选择。

选择“数据”以查看测试结果，如图 12 所示。

图 12.查看数据结果。

调整福禄克 724 上的箭头按钮，将温度设置为 -40°C。 观察安培表上的电流显示为4mA。

同样，调整福禄克 724 上的箭头按钮，将温度设置为 +70°C。 观察安培表上的电流显示为20mA。

测试结果

4–20mA与RTD温度的关系图如图13所示。

图 13.4–20mA 环路电流与 RTD 温度的关系

图 14.误差变化与温度的关系

结论

PIXI MAX11300具有12位DAC输出，能够提供25mA的最小电流，是4–20mA电流控制环路发送器的理想器件。此外，由于MAX11300共有20个端口，因此使用单个器件可以实现多达5个发送器，但设计发送器只需要4个端口。测试结果表明，在整个4–20mA环路电流范围和-40°C至+105°C的环境温度范围内，误差变化小于0.6%。

审核编辑：郭婷