DH4～20mA模擬串口模塊及其變送器電路設計

　　摘要：二線制4～20mA模擬串口環路作為電流遙測技術標準，以其眾多優點得到廣泛應用，本文介紹的DH4～20型DH4～20mA模擬串口模塊與無源交流隔離傳感器的組合，不但解決了交流電流電壓信號的二線制4～20mA環路遙測問題，而且成本低，性價比高。本文簡要介紹了這種模塊的應用與測試，供讀者選用參考。
　　概述：標準化的模擬信號電流值為4～20mA的環路在發送數據以及控制那些易于以這一標準接受指令的某些執行器的過程中有廣泛的應用。
　　在國際上已做為模擬信號中的電流遙測技術標準。在利用兩根導線的電流遙測電路中，工作電源與示讀裝置，包括傳感器和發送導線的任何其他電阻都是相串聯在環路內。其優點：
　　1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的導線；
　　2、在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環路內的電壓，不會產生顯著影響，因為干擾源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；
　　3、電容性干擾會導致接收器電阻有關誤差，對于4～20mA環路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個電阻小到不足以產生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統更長更遠；
　　4、各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等造成精度的差異；
　　5、將4mA用于零電平，使判斷開路或傳感器損壞十分方便（0mA狀態）；
　　6,在兩線輸出口容易增設防浪涌,防雷器件,有利于安全防爆。
　　DH4～20mA模擬串口模塊是是中科方舟公司采用意法半導體（ST）ASIC芯片為實現無源交流隔離傳感器（互感原理）的二線制電流遙測技術手段而定型生產的單片模塊產品。無源交流隔離傳感器輸入的電流信號經整流濾波和I/V轉換后輸出一個隨I1線性變化的直流電壓信號U2，U2作為浮地壓控信號控制該模塊輸出4～20mA的電流環路（如圖1所示）。
　　該模塊實現了無源交流隔離傳感器信號變換為兩根連接線路發送的呈比例的環路電流，接受器通過測量已知電阻RL兩端的壓降對環路電流進行檢測（如圖2所示）
　　主要技術指標：
　　(1)額定環路電流：DC4-20mA（靜態、滿程可調節）
　　(2)額定控制端電壓：DC0-5V±10%（靜態、滿程可調節）
　　(3)額定工作電壓：+24V±20%
　　(4)控制端輸入電流：≤100uA
　　(5)電源功耗：靜態4mA，動態時相等與環路電流20mA
　　(6)非線性失真：0.1%FS
　　(7)輸出電流溫漂：≤50ppm/℃
　　(8)靜態零電平：（4mA） 調節范圍：4mA±25%（3mA-5mA）
　　(10)最小工作電壓：15V
　　(11)極限工作電壓：≤35V
　　(12)輸出電流保護：內部限制（TVS能力：24A，20us）
　　(13)接入保護：電源反接保護 （需外接1N4007二極管）
　　(14)工作溫度： -40℃-80℃
　　(15)貯存溫度： -50℃-100℃
　　外形照片：
　　最大負載電阻與工作電壓之間的關系：
　　為使電路正常工作，最大負載電阻RLmax即二根導線銅阻加RL（通常為了取得1～5V取樣電壓，選擇250Ω/0.5W電阻）不能超過下式：RLmax≤（VCC-10V）/20mA
　　典型電路試驗：
　　①I/V轉換電阻R*計算：已知U2=0.9I2R*=0.9（I2/N2）R*，R*=U2/0.9I2
　　例：知CT的I2=0.1A R*=（6-7V）/0.9I2=66-77Ω，電阻消耗約0.6～0.7W，選功耗大于4倍，為2～3W功率的電阻。
　　②電路調試：當I1為零時，調RP2使IOUT等于4.000mA，當I1為滿值時，調RP1使IOUT為20.000mA。
　　DH4-20測試電路：
　　①.靜態零電平4mA調節范圍
　　測試條件：VCC=24V UIN=0V（靜態）
　　步驟：改變RP1使UIN=0V，改變RP2觀察IOUT的最大值和最小值。

　　 IOUT 實測值（mA）
　　RP2↓ 最小值3mA±0.3mA 2.790
　　RP2↑ 最大值5mA±0.3mA 4.838

　　②.UIN-IOUT線性測試
　　測試條件：VCC=24V RL=700Ω
　　步驟：1.將RP1調至UIN=0V
　　 2將RP2調至IOUT=4.000mA
　　 3.改變RP1從0～5V的UIN電位

　　UIN （V） IOUT（mA） 實測值（mA）
　　0 4.000 4.002
　　1.250 8.000 7.997
　　2.500 12.000 11.998
　　3.750 16.000 16.003
　　5.000 20.000 20.008

　　③.RL-VCC最大負載電阻與工作電壓之間的關系
　　測試條件：在上述②的測試條件UIN=5V，IOUT=20mA恒定狀態下
　　步驟：改變以下RL與VCC的對應關系，觀察IOUT=20mA恒定狀態

　　 RL（KΩ） VCC（V） 實測值（mA）
　　 0 10 20.003
　　 0.1 12 20.003
　　 0.2 14 20.005
　　 0.3 16 20.005
　　 0.4 18 20.005
　　 0.5 20 20.005
　　 0.6 22 20.005
　　 0.7 24 20.005
　　 0.8 26 20.010
　　 0.9 28 20.010
　　 1.0 30 20.010
　　 1.1 32 20.010

　　④.滿值20mA的恒流測試
　　測試條件：VCC=24V IOUT=20.000mA
　　步驟：在上述條件下，改變RL從0～0.7KΩ，觀察滿值20的恒定狀態

　　 RL（KΩ） IOUT實測值（mA）
　　 0 20.021
　　 0.1 20.020
　　 0.2 20.019
　　 0.3 20.017
　　 0.4 20.016
　　 0.5 20.015
　　 0.6 20.014
　　 0.7 20.013

　　無源交流隔離傳感器與DH4～20mA模擬串口模塊應用實例
　　輸出4～20mAdc二線制遠程遙測變送器電路
　　霍爾直流電流變送器應用電路設計
　　霍爾直流電流變送器電路原理圖
　　推薦采用兩根雙絞線的遠程DA/AD信號傳輸系統低成本方案
　　采用兩根雙絞線的遠程DA/AD信號傳輸系統低成本方案(附２張圖紙） DH4-20每只8元,也就是每路成本8元,傳輸每米用兩根雙絞線比用屏蔽線又節省1元錢...... 遠程DA/AD信號傳輸傳輸距離：當DC+24V時,兩根雙絞線的總銅阻不大于450歐姆（因雙絞線的截面決定總銅阻）時，保證終端250歐姆上有1-5V的信號電壓。
　　交流電流變送器制作圖紙
　　二線制4～20mA模擬恒流環路信號發生器制作