大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室系列， 本视频将介绍 电流环路变送器。 在该系列中，我们 将介绍关于 电流环路变送器的概念， 重点介绍常见的 4 至 20 毫安范围。 本视频将 介绍 4 至 20 毫安的概念， 并提供一些应用 示例和 不同的方法来 将电流变送器 设计到您的系统中。 本系列中的 后续视频将 讨论电流环路变送器的 不同接线配置， 由其是 2 线和 3 线， 讨论每种配置的 设计注意事项， 并介绍 TI 提供的 集成解决方案。 我们将介绍的 集成解决方案 具有许多 片上特性， 可为您提供更简单的 设计流程和高水平的 精度。 完成本系列的学习后， 您将更好地 了解如何在设计中 使用 TI 的 2 线和 3 线 电流环路 变送器。 工业和 楼宇自动化 正变得越来越普遍， 以降低成本和提高 效率。 增加自动化技术 可以节省建筑物中的能源， 或提高工业 应用中的工作 速度和质量。 在工业设施中， 例如制造工厂， 有现场传感器、 传动器和 电机来监控和 执行过程控制。 诸如液位传感器、 温度传感器、阀门 和加热器等器件可以控制 容器中液体的液位和 温度。 在一座大型建筑 或者由几座建筑组成的园区中， 许多监控设备控制着 建筑中的系统， 例如照明、HVAC 或湿度控制。 过程控制可以实现 这些方面的自动化。 传感器和 监控器件 需要能够将 其过程变量 发送到控制站， 有时需要经过 非常远的距离。 然后，控制站将 控制数据传输 到现场器件 以执行任务。 本讲座将 介绍电流变送器 在这些应用 中的优势。 4 至 20 毫安的 电流环路 旨在模拟 3 至 15 PSI 的 旧式气动系统， 该系统一直使用到 20 世纪 50 年代， 用于促进整个 建筑的工业控制。 此处显示了 典型的 4 到 20 毫安 传输路径， 从左侧的传感器开始。 传感器测量 特定范围内的变量， 例如 0 到 150 摄氏度 之间的温度， 并输出与 测量值落在 设定范围内的位置 成比例的电压。 变送器转换 传感器输出 以提供 4 到 20 毫安的信号， 这对应于 传感器的满刻度。 在我们的示例中， 4 毫安代表 最小刻度 0 摄氏度。 20 毫安代表 最大刻度，在我们的 示例中为 150 摄氏度。 然后，它将这个 电流信号， 通常经过远距离， 发送到接收器， 接收器将信号转换回电压。 一个简单的接收器 由一个电阻器组成， 它将根据欧姆定律 将此电流转换回电压。 该电阻器的 典型值为 250 欧姆，产生 1 至 5 伏的最终电压。 4 毫安 0 电平和 20 毫安满量程电平 允许在系统中 进行故障检测。 变送器输出端 电流为 0 安培 表明传输线路中 存在中断。 智能测量 器件还可以 检测内部故障， 例如传感器故障。 然后，[听不清] 43 信号标准 允许用户设置 欠量程 或超量程故障模式， 该模式将输出 3.6 毫安 或 21 毫安信号 并持续至少 4 秒， 以向控制站 报告故障。 3.6 毫安、 21 毫安和 4 秒 用于避免误报。 4 毫安 0 电平 还允许变送器 提供最高 4 毫安的 电流为外部 输入电路供电。 我们将在后续 视频中介绍该功能。 接下来的几张幻灯片将介绍 使用 4 到 20 毫安变送器的 优势。 有几种类型的 4 至 20 毫安变送器 配置。 我们将在后续视频中 详细讨论这些 配置之间的差异。 配置中的 主要差异 在于使用的电线数量和 变送器的供电方式。 2 线配置 由环路供电。 电源和供电电流 在同一环路中共享。 3 线配置 具有本地电源。 这三根电线包括 电源线、地线 和信号线。 4 线配置 也由本地供电， 但输出与 电源隔离。 此外，接收器 与变送器不共享 同一地线。 4 至 20 毫安 电流变送器 可实现稳健的系统， 并与模拟 输出和输入模块 之间传输数据。 这里显示的是 一个简单的 电流传输方框图。 4 至 20 毫安的变送器 建模为电流源。 在本例中，接收器是 一个 250 欧姆的电阻器， 它会将传输的 电流转换回 控制站的电压。 该电压可以 转换为数字信号， 以便使用模数 转换器进行处理。 从现场传感器 到控制站， 或者从控制站 到现场器件的传输 只需两根电线 即可完成。 本示例 中的配置 是一种使用 24 伏标称 环路电源的 2 线系统。 感应控制信号 经常必须 传输一公里或 更远的距离。 电压传输是通过一条 长达一公里的电线进行的， 电线的阻抗 导致的压降 会导致足够的衰减， 从而使 到达信号不可用。 4 至 20 毫安电流环路 基本上是无损的， 即使在远距离情况下 也是如此，因为长传输线 造成的压降 不会影响 电流信号的 准确性。 基尔霍夫电流定律指出， 环路中的电流 在环路中的 任何一个点都是等效的。 因此，如果在接收器上 读取的电流为 8 毫安， 那么一公里外的 变送器中的 电流也必须 等于 8 毫安。 理想情况下，这两根 电线之间的电阻是无限的。 但电线之间的 非理想电阻 会导致电流泄漏路径， 给系统增加一些 误差。 在电子产品方面， 工业环境 非常恶劣。 信号传输 可能发生在工厂车间 或建筑物之间。 而且在任何给定 时间都可能 存在多个 未知噪声源。 所幸的是， 250 欧姆接收器 使得电流环路系统 实现固有的低阻抗， 使其对感应噪声的 敏感度远低于 电压放大器的 高阻抗输入等 情况。 典型的电流 噪声源 为微安级， 与 16 毫安的 信号跨度相比， 这通常是可以接受的。 此外，使用 4 毫安作为电平 0 可提高低电平下的 信噪比，从而可以 准确解读 低信号电平， 而不会增加噪声 或干扰。 我们知道了为什么 要使用 4 到 20 毫安变送器，接下来让我们 看看它们的使用方式。 控制站中的 可编程逻辑控制器， 也称为 PLC， 具有模拟输入 和模拟输出模块。 模拟输出模块 用于控制 放置在现场的元件， 例如执行器、 电机、阀门或加热器。 由于模拟输出 模块和 PLC 由 PLC 背板供电， 系统几乎都是 具有电源、接地 和电压或电流输出的 3 线变送器。 现场元件中 使用模拟输出 将数据从远程 传感器传回到 或处理给 PLC 模拟输入模块。 由于工业自动化 通常使用多种 类型的传感器， 而且每个控制元件 通常有多种监测元件， 因此模拟输出市场 主要由现场元件构成。 2 线环路供电的 4 至 20 毫安变送器 是最常见现场元件， 因为它们要求的 导线数量极少。 该系统的两根 导线分别传输 信号电流和 变送器电源。 我们通过一个 例子来更好地理解 PLC 系统如何 使用模拟输出电流 变送器工作。 这里的目标是将 远处的液体储存罐 保持在一定的 温度范围内。 由于液体温度 必须在液面下测量， 因此需要一个 投入式温度传感器。 这严重限制了 提供板载电源 来为传感器 供电的可能性。 鉴于距离远、 电源可用性 和要传输的数据类型， 选择了 2 线方法。 两根导线用来连接远程 变送器和中央监测站。 这两根导线为变送器 和传感器提供电源 并携带返回信号， 其中包含基于 传感器读数的 成比例电流。 电流通过电阻时 转换成电压。 然后由监测站读取 生成的电压。 这就形成一个电流环路， 它在接收器的电阻上 产生电压， 随着温度传感器对 液体温度的 响应而变化。 一旦监测站接收到 远程位置传回的数据， 它就可以决定 如何处理这些数据。 在本例中，如果 液体的温度 变得过低，3 线变送器 可以发送一个命令， 让阀门打开一条线， 使得外部加热室 中加热的水能够 流经液体储存罐 中放置的线圈。 阀门的电流消耗较高， 不能像温度传感器那样 通过环路供电。 因此，它使用 自己的本地电源。 传送至阀门的信号 包括电流信号和 接地基准，将 阀门的本地接地 连接到变送器接地。 这类变送器因 三根导线得名， 包括专用电源 导线、接地导线 以及电流信号导线。 在设计中可通过几种 方法使用 4 到 20 毫安的 传输机制。 要使解决方案 满足您的确切需求， 您可以选择用 运算放大器、 电阻器和和晶体管 构建一个 4 到 20 毫安的 分立式变送器。 此解决方案不但 灵活，还消耗了 最无聊的空间。 市场上有许多 集成解决方案。 每个集成解决方案 都在一个 IC 上提供 多种功能。 TI 的 XTR 产品系列提供 部分集成的解决方案 以实现 4 到 20 毫安的传输。 您可以定制 XTR 的输入电路， 具体取决于您想要 使用的传感器或 控制输入的类型。 TI 的 XTR 是模拟输入、 模拟输出、4 至 20 毫安 配合使用。 输入类型可包括 电桥传感器、RTD 传感器 和数模转换器的输出。 不同的 XTR 产品可以提供 电流到电流传输或 电压到电流传输， 支持各种传感器输入。 此解决方案 是部分集成的， 让电路变得更小， 还可以用更低的 成本实现比 分立式解决方案 更高的精度。 TI 提供完全 集成的数模转换器， 转换器可提供 4 到 20 毫安输出。 数模转换器和 4 至 20 毫安变送器的 功能组合在一个 IC 中， 为数字输入、 模拟输出变送器 打造出了这种极小、 极精确的解决方案。 在接下来的几张 幻灯片中，我们将讨论 分立式、部分 集成和完全集成的 变送器示例。 此处显示一个 2 线、 完全分立的 4 至 20 毫安变送器和 一个驱动输入的 数模转换器。 构建完全分立式变送器 让您可根据自己的 应用充分定制。 您可以根据设计 中增加的功能、 精度和电源 要求进行定制。 精度越高，就会要求 器件的准确度越高。 器件的准确度越高， 电路的总成本就会越高。 链接的参考 设计提供了有关 构建分立式 2 线 和 3 线 4 至 20 毫安变送器的更多信息。 对于 2 线系统， 请查看 TI PD 158。 对于 3 线系统， 请查看 TI PD 102。 此幻灯片上的 原理图显示 一个 2 线、部分 集成的 4 至 20 毫安变送器， 它使用一个 XTR 116。 XTR 116 的输入 来自一个由 INA 333 放大的电桥传感器。 正如您所见，XTR 116 提供了片上 稳压器和 电压基准， 用于输入电路。 TI 的 PGA 308 和 PGA 309 还可用于 放大电桥传感器信号， 以及通过校正偏移和 增益误差来调节 信号。 与完全分立的版本相比， 使用带有 XTR 部件的 部分集成解决方案 可提供更高的精度、 匹配电阻和更多功能， 并且封装小得多。 我们拥有 XTR 116 等 通用 2 线变送器， 以及专门的 RTD 和电桥调节器。 我们还有通用 3 线变送器， 例如 XTR 300， 可轻松配置为 在多个输入、 输出范围内运行。 TI 的 XTR 产品 将 2 级电流输出 电路整合到一个 具有特定性能的 集成电路中。 部分集成 解决方案 是性能、灵活性、 电路板空间和易设计性 之间的良好折衷。 TI PD 190 是使用 XTR 116 的 2 线变送器的 参考设计。 TI PD 155 是 使用 XTR 300 的 3 线参考设计。 这张幻灯片上的图 显示了一个使用 TI DAC 8775 的 3 线、完全集成的 4 至 20 毫安变送器。 该解决方案允许 与微控制器直接 相连。 TI 的完全集成 4 至 20 毫安 数模转换器 使用 SPI 通信 从数字处理器 获取传感器读数 或控制信号。 数模转换器可 将此数据转换为 模拟信号， 并具有将信号转换为 3 线 4 至 20 毫安 模拟输出的 内部电路。 这些部件具有 内部稳压器， 可为系统的 其余部分提供 数字电源。 采用单电感器 降压/升压转换器的 自适应电源 管理和过温、 看门狗超时 或短路警报等 附加功能 也包括在解决方案中。 因为数模转换器 和变送器整合到 一个 IC 中，所以 在连接数字输入时 完全集成的解决方案 具备高性能、 小尺寸和易设计的 优势。 正如 DAC 8775 方框图所示， 其中有一个选项可 连接 HART 调制器。 下一张幻灯片 将对此进行说明。 TI PD 216 和 TI PD 119 就是使用 TI 数模转换器的 3 线、完全集成的 变送器示例。 首字母缩写词 HART 表示高速可寻址远程 传感器。 在现场变送器中， HART 使用 移频键控，用两种 波形来表示二进制 数据。 HART 基于 Bell 202 FSK 标准， 并以每秒 1,200 位的速率运行。 这与 1990 年代 电信行业 在传输来电 显示数据时采用的 标准相同。 1 由一个 1,200 赫兹的 信号表示，称为标记。 而 0 由一个 2,200 赫兹的 信号表示，称为空间。 该信号被交流耦合到 现场变送器产生的 电流波形上。 这允许在变送器 与接收器之间进行双向 通信。 HART 可用于传输 器件标识 信息、校准数据 或其他诊断数据。 传感器附近的 接收器将解调此数据， 并将其馈送到传感器的 通信端口。 当使用 4 到 20 毫安 传输的传感器也 需要校准或中继诊断 数据时，这有助于 减少远距离使用的 电线数量。 我们的第一个介绍 电流环路变送器的视频 到此结束。 在下一个视频中， 我们将更详细地 介绍 2 线、3 线和 4 线 4 至 20 毫安变送器。 请尝试完成测验 以检查您对所学内容的理解 of this video's content.