DH4～20mA模拟串口模块及其应用

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DH4～20mA模拟串口模块及其应用

中国科学院半导体所方舟公司 李德辉

摘要：二线制4～20mA模拟串口环路作为电流遥测技术标准，以其众多优点得到广泛应用，本文介绍的DH4～20型DH4～20mA模拟串口模块与无源交流隔离传感器的组合，不但解决了交流电流电压信号的二线制4～20mA环路遥测问题，而且成本低，性价比高。本文简要介绍了这种模块的应用与测试，供读者选用参考。

关键词：4～20m恒流环路 典型应用电路 测试电路

概述

标准化的模拟信号电流值为4～20mA的环路在发送数据以及控制那些易于以这一标准接受指令的某些执行器的过程中有广泛的应用。在国际上已做为模拟信号中的电流遥测技术标准。在利用两根导线的电流遥测电路中，工作电源与示读装置，包括传感器和发送导线的任何其他电阻都是相串联在环路内。其优点：1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；5、将4mA用于零电平，使判断开路或传感器损坏十分方便（0mA状态）。

DH4～20mA模拟串口模块是为实现无源交流隔离传感器（互感原理）的二线制电流遥测技术手段而定型生产的单片模块产品，无源交流隔离传感器输入的电流信号经整流滤波和I/V转换后输出一个随I1线性变化的直流电压信号U2，U2作为浮地压控信号控制该模块输出4～20mA的电流环路（如图1所示）。该模块实现了无源交流隔离传感器信号变换为两根连接线路发送的呈比例的环路电流，接受器通过测量已知电阻RL两端的压降对环路电流进行检测（如图2所示）。

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1． 主要技术指标

⑴ 额定环路电流：DC4～20mA（静态、满程可调节）

⑵ 额定控制端电压：DC0～5V±10%（静态、满程可调节）

⑶ 额定工作电压：+24V±10%

⑷ 电源功耗：静态4mA，动态时相等与环路电流

⑸ 非线性失真：0.1%FS

⑹ 输出电流温漂：≤100ppm/℃

⑺ 静态零电平（4mA）调节范围：4mA±25%（3mA～5mA）

⑻ 极限工作电压：≤35V

⑼ 输出电流保护：内部限制（TVS能力：24A，20us）

⑽ 接入保护：电源反接保护

⑾ 工作温度：-40℃～80℃

⑿ 贮存温度：-50℃～100℃

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1． 最大负载电阻与工作电压之间的关系

为使电路正常工作，最大负载电阻RLmax即二根导线铜阻加RL（通常为了取得1～5V取样电压，选择250Ω/0.5W电阻）不能超过下式：

RLmax≤（VCC-10V）/20mA

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3.典型应用电路

① I/V转换电阻R*计算：已知U2=0.9I2R*=0.9（I2/N2）R*

R*=U2/0.9I2

例：已知CT的I2=0.1A R*=（6-7V）/0.9I2=66-77Ω

电阻消耗约0.6～0.7W，选功耗大于4倍，为2～3W功率的电阻。

② 电路调试：当I1为零时，调RP2使IOUT等于4.000mA，当I1为满值时，调RP1使IOUT为20.000mA。

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4． DH4-20测试电路

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①静态零电平4mA 调节范围
测试条件：VCC=24V UIN=0V（静态）
步骤：改变RP1使UIN=0V，改变RP2观察IOUT的最大值和最小值。
IOUT 实测值（mA）
RP2↓ 最小值3mA±0.3mA 2.790
RP2↑ 最大值5mA±0.3mA 4.838
②UIN-IOUT线性测试
测试条件：VCC=24V RL=700Ω
步骤：1.将RP1调至UIN=0V
2将RP2调至IOUT=4.000mA
3.改变RP1从0～5V的UIN电位
UIN （V） IOUT （mA） 实测值（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最大负载电阻与工作电压之间的关系
测试条件：在上述②的测试条件UIN=5V，IOUT=20mA恒定状态下
步骤：改变以下RL与VCC的对应关系，观察IOUT=20mA恒定状态
RL （KΩ） VCC（V） 实测值（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 满值20mA的恒流测试
测试条件：VCC=24V IOUT=20.000mA
步骤：在上述条件下，改变RL从0～0.7KΩ，观察满值20的恒定状态
RL（KΩ） IOUT实测值（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

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5．无源交流隔离传感器与DH4～20mA模拟串口模块应用实例

输出4～20mAdc二线制远程遥测变送器电路

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产品资料

附表2：输出4-20mAdc二线制远程遥测变送器电路元件表

产品资料:

附表1：无源交流隔离传感器选型表

参考文献：

1． 中国科学院方舟电子公司.新型无源交流隔离传感器产品资料.2006

2． 中国科学院方舟电子公司.DH4-20浮地压控恒流模块产品资料.2006

3． 中国科学院方舟电子公司.新型二线制4-20mA交流大电流变送器产品资料.2006

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