两线 4-20 mA 现场发送器在工业控制和自动化领域中是十分常见的。它们之所以受到欢迎，是因其只需两根模拟信号线就能实现某种远程进程的监视。这两根信号线同时传输用于传感器 / 监视电路的供电功率以及模拟输出信号。尽管仅有两根信号线，但在设计此类系统时却有一些必需了解的常见问题。这篇博客帖子概要阐述了两线系统以及怎样避免最大压降 (compliance voltage) 问题。
概述
图 1 示出了一款具有两个端子的两线模拟输入模块：一个端子用于环路电源 (VLOOP)，而另一个端子则用于提供两线发送器的 4-20 mA 输出的回接点 (RTN)。该两线发送器将把其耗散的电流精确地控制在 4 mA 和 20 mA 之间，并将控制数据返回给负责说明位置、电平、温度及其他由传感器提供之测量结果的 PLC 输入。VLOOP 和 RLOAD 的常用数值为 ＋24 V 和 250Ω。
图 1：简化的两线 4-20 mA 发送器
德州仪器提供了多款旨在简化两线现场发送器设计的集成电路。图 2 示出了一个使用 XTR116 的电路实例。这里，一个阻性传感器被置于一个全阻性电桥之中。该电桥的输出连接至一个仪表放大器 (INA)，此 INA 负责提供传感器输出的增益和电平移位。INA 输出连接至 XTR116 的输入，其随后精确地控制流过 Q1 BJT 的输出电流，以把电流调节在 4 mA 和 20 mA 之间。另外，XTR116 还集成了一个 ＋5 V 线性稳压器 (VREG) 和一个 4.096 V 高精度基准 (VREF)。VREG 输出用于为 INA 和 XTR116 内部的运放电路供电。VREF 输出则提供了一个用于阻性电桥的精准低漂移激励电压。
图 2：两线现场发送器电路示例
最大压降
人们在设计两线现场发送器系统时遇到的最常见问题是由于违反了系统的最大压降规格所导致的。XTR116 在 V＋ 和 IO 之间具有一个 ＋7.5 V 的最小电源电压 VCOMPLIANCE，用以实现正确的运作。假如阻性负载和 / 或因电缆长度所引起的阻性损失导致电源电压降至 ＋7.5 V 以下，那么系统将失去其调节输出电流的能力。
在图 3 中，由于 20 mA 输出电流和环路中 900Ω 串联电阻的原因，在电流环路中出现了一个 18 V 的压降。当采用 24 V 电源时，这将仅在 XTR116 的两端留下 ＋6 V 的电压，这不符合 ＋7.5 V 的最小电源电压要求！因此，输出电流将达不到 20 mA，而且在输入电路失去电源时通常将变为非线性。
图 3：采用 XTR116 时的电压符合性问题
电压符合性问题与欧姆定律直接相关。输出电流与环路中电阻的乘积不能超过施加至系统的电源电压。如果已知 VCOMPLIANCE 和 VLOOP，则可按 (1) 式所示计算最大环路电阻 RMAX。
虽然电压符合性问题会由于配线距离长、导线质量差和存在多个接收器的缘故而发生，但它也常常出现在测试中（当在电路中布设了一个用作负载的错误值电阻时）。如果发送器的输出电流在测试期间停止增加，则应测量负载两端的电压降。倘若负载电压降比预期的高，则负载电阻很可能是引发输出电流问题的诱因。
在我的下一篇博客中，我们将讨论在两线发送器设计中同样十分常见的接地问题。
相关资源：
参见两线 TI Design Precision 参考设计：TIPD 126 和 TIPD 158。
阅读一篇工业 DAC 模拟输出及架构的概述。
了解更多有关工业 DAC 三线模拟输出之演变的详情。
