可配置4-20mA环路供电变送器/接收器电路设计

在工业过程控制应用中，精确且低功耗的电路设计至关重要。本文将详细介绍一款基于ADI公司的可配置4 - 20mA环路供电变送器/接收器电路（CN - 0314），包括其功能、电路描述、配置方式以及误差分析等内容。

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一、电路概述

该电路是一款可配置的4 - 20mA环路供电变送器，基于行业领先的微功耗仪表放大器AD8420和高精度电压基准ADR02。电路具有精度高、低噪声和低功耗的特点，适用于工业过程控制应用。它可以通过单个开关配置为变送器（将差分输入电压转换为电流输出）或接收器（将4 - 20mA电流输入转换为电压输出）。

电路优势

• 灵活配置：单个硬件设计可同时作为变送器和接收器的备用，减少客户库存需求。
• 宽输入输出范围：变送器可接受0 - 5V或0 - 10V输入范围；接收器可提供0.2 - 2.3V或0.2 - 4.8V输出范围，与使用2.5V或5V基准的ADC兼容。
• 宽电源电压范围：变送器的电源电压范围为12 - 36V，接收器为7 - 36V。

二、电路关键器件

AD8420仪表放大器

采用间接电流反馈架构，具有出色的输入和输出特性。与传统仪表放大器不同，它可以轻松放大接近或略低于地的信号，无需双电源。其轨到轨输出电压摆幅与输入共模电压完全无关，避免了大多数传统仪表放大器架构中常见的共模输入和输出电压相互作用的限制。此外，AD8420的参考引脚具有高阻抗，无需额外的运算放大器驱动，节省了功率、成本和空间。

ADR02电压基准

提供5.0V的高精度电压基准，确保电路的稳定性和准确性。

三、电路详细分析

1. 变送器配置

输入电压缩放

AD8420的差分输入电压范围最大为±1V，为了接受更高的工业输入电压范围（0 - 5V或0 - 10V），电路使用缩放电阻网络将输入电压转换为0.195 - 0.990V。通过节点分析可以得到缩放电阻R1、R2、R3和R4的值。

电流转换

AD8420的间接电流反馈架构使放大器的差分输入电压出现在其FB和REF引脚之间。晶体管Q1将0.195 - 0.990V的电压范围转换为3.9 - 19.8mA的电流，通过50Ω的感测电阻R9。

总输出电流

总输出环路电流由AD8420的电源电流（100 - 200µA）和通过R9的电流组成，即 (I{LOOP }=I{AMP }+I_{R 9})，最终实现4 - 20mA的输出。

误差分析

• 电阻误差：假设每个关键电阻（R1或R3、R2或R4、R5和R9）对总误差的贡献相等，0.1%电阻的最坏情况公差累积导致最大总电阻误差为0.4%，若采用均方根（rss）误差计算，总rss误差为 (0.1 sqrt{4}=0.2 %)。
• 有源组件误差：使用AD8420的A等级和ADR02的B等级时，有源组件的最大满量程误差为0.045%。
• 总误差：将最坏情况的电阻公差误差和有源组件的误差相加，得到变送器的满量程误差为0.445%。

2. 接收器配置

电流转换电压

电阻R6用于感测4 - 20mA的信号，并将其转换为0.2 - 1V的输入电压到放大器。输入电压反映在放大器的FB和REF引脚之间。

输出电压范围

通过使用ADR02和增益及缩放电阻，电路可以提供0.2 - 4.8V的输出，最大化了使用5V基准的ADC的输入动态范围。也可以通过跳线P4配置为0.2 - 2.3V的输出，适用于使用2.5V基准的ADC。

误差分析

• 电阻误差：关键电阻（R11或R13、R12或R14、R6和R10）的最坏情况公差累积导致最大总电阻误差为0.4%，rss误差为0.2%。
• 有源组件误差：使用AD8420的A等级和ADR02的B等级时，有源组件的最大满量程误差为0.07%。
• 总误差：将最坏情况的电阻公差误差和有源组件的误差相加，得到接收器的满量程误差为0.47%。

四、电路评估与测试

测试设备

• EVAL - CN0314 - EB1Z评估板
• Agilent E3631A双直流电源或等效设备
• Yokogawa 2000精密直流电源或等效设备
• Agilent 3458精密万用表或等效设备

测试设置

• 变送器测试：使用Yokogawa 2000精密直流源生成0 - 5V或0 - 10V的差分输入范围，将开关S1置于“V - I”位置。
• 接收器测试：使用第二个EVAL - CN0314 - EB1Z产生4 - 20mA的输入电流，也可以使用精密电流源。将开关S1置于“I - V”位置。

开关和跳线设置

• 变送器：开关S1置于“V - I”位置，跳线P3根据输入范围选择“0–10V”或“0–5V”位置。
• 接收器：开关S1置于“I - V”位置，跳线P4根据输出电压范围选择“0.2–2.3V”或“0.2–4.8V”位置。

五、常见变化

该电路可以使用其他电压基准和仪表放大器进行配置，以满足不同的应用需求。例如，AD8237可用于低电源电压版本的电路配置，ADR4550可用于低电压供电应用，替代ADR02。

六、总结

CN - 0314电路为工业过程控制应用提供了一种灵活、精确且低功耗的解决方案。通过合理选择组件和优化电路设计，可以实现4 - 20mA环路供电变送器和接收器的功能，并确保较高的精度和稳定性。在实际应用中，工程师可以根据具体需求进行配置和调整，以满足不同的工业场景。你在实际设计中是否遇到过类似的电路配置问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。