如何设计高精度并且可靠的4-20mA通信
（文章来源：zlg致远电子）
使用4－20ma模拟量进行通信时，无论是发射端还是接收端的电路设计，相对于数字通信都会比较复杂，那为什么还要使用呢？本文将结合设计案例带你了解4－20ma通信。
1、为什么使用4－20ma通信？在远距离、复杂的工业现场应用场合常常伴随有较大的干扰源，磁场辐射干扰、传导干扰等，如果使用传统的数字通信容易受到干扰，因为接收端的输入阻抗无穷大，在受到微弱噪声信号干扰后，会产生较高的电压噪声，不利于数据传输以及接口的安全使用规范。而使用模拟量（4－20ma）进行通信时，由于耦合的噪声信号较为微弱，通常为na级别，则不受此影响，而且电流源驱动没有线压降问题。
2、4－20ma代表了什么数据意义？基于国际标准文件提出的《过程控制系统用模拟信号（第一部分）：直流电流信号（gb／t 3369.1－2008／iec 60381－1：1982）》中规定了4－20ma信号为首选直流电流通信信号，如表一：直流电流信号范围所示。文件中规定在采用4－20ma通信信号的情况下，4ma代表原始数据的0刻度，20ma代表原始数据的满刻度，0ma作为断电、断线检测。
如远端pt100热电阻温度监测系统，通过4－20ma通信方式将远端现场数据传回plc，实现对现场温度变化监测。pt100的测量范围为－200－850℃，则4ma代表－200℃，20ma代表850℃，实际温度计算公式如下：t＝（850＋200）℃／（20－4）ma＊（i－4ma）－200℃，其中：t为当前测试温度；i为当前采集电流；一般用低于2ma代表热电阻测温模块系统断电或者通信线路断线。
3、4－20ma通信系统的一般电路设计。4－20ma模拟量通信电路如图：4－20ma通信电路架构所示，应用现场前端由传感器组成，经由变送器将非标准的传感器信号转换为标准4－20ma通信信号，再发送到远端控制设备，由接收器接收上传至plc控制端。
目前市面上有较多的传感器设备或者执行器的成品模块已经集成了4－20ma通信功能，用户只需要自己搭建接收模块即可。接收模块正如下图：4－20ma通信电路架构所示，包含了采样器、信号调理电路、adc（模数转换）以及mcu（数据传输以及处理）。
但如果4－20ma通信携带的是一个高精度、数据范围比较宽的数据时（比如上个章节所提及的远端pt100热电阻温度监测系统，数据量范围－200－850℃，精度0.1％±1℃取最大值），接收模块精度达不到0.1％，则会引起数据传输误差，发挥不了传感器性能，那怎么去确保接收模块的采样数据准确呢？
4－20ma通信电路架构，首先我们分析一下接收链路可能导致采集精度误差的原因：采样电阻的初始精度以及工作在极限环境（高低温max）下时，电阻温漂引起采样电压的漂移；调理电路，该电路限制采样精度的因素比较多，如运放的失调电压、输出噪声、衰减或增益网络误差引起adc端的电压采集误差；
adc单元电路误差，如基准漂移、基准噪声，电源噪声、pcb布局等这都是外部影响adc转换精度因素；adc自身所带来的转换精度误差，如adc的失调误差、增益误差，无噪声分辨率低、积分非线性差等问题，带来转换精度误差。
为了缩短用户的开发周期， zlg推出了一款带有隔离功能的高精度模拟量采集模块（tps08u）一次性解决了如上所有问题。该模块在设计上，考虑了如上的所有因素，采用极低温飘的电阻，号称零漂移的运放，24bit分辨率的adc，在极优的参数下选取最具性价比元器件，并优化layout走线布局等实现以最小体积达成8通道测量。同时，每个模块出厂均通过严格的测试校准，保证出厂的每个模块都能达到指标要求。
tps08u典型电路只需简单的外围电路就可以实现8通道的模拟信号采集（4－20ma and 0－5v），精度0.1％（电压为满量程精度）。模块电源采用3.3v供电，通信接口spi，同时，模块集成了电源及通信隔离电路（隔离dc：2500v），尺寸大小长＊宽＊高：31.8mm＊20.3mm＊6.5mm。详细资料可向当地销售获取。
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2、4－20ma代表了什么数据意义？基于国际标准文件提出的《过程控制系统用模拟信号（第一部分）：直流电流信号（gb／t 3369.1－2008／iec 60381－1：1982）》中规定了4－20ma信号为首选直流电流通信信号，如表一：直流电流信号范围所示。文件中规定在采用4－20ma通信信号的情况下，4ma代表原始数据的0刻度，20ma代表原始数据的满刻度，0ma作为断电、断线检测。
如远端pt100热电阻温度监测系统，通过4－20ma通信方式将远端现场数据传回plc，实现对现场温度变化监测。pt100的测量范围为－200－850℃，则4ma代表－200℃，20ma代表850℃，实际温度计算公式如下：t＝（850＋200）℃／（20－4）ma＊（i－4ma）－200℃，其中：t为当前测试温度；i为当前采集电流；一般用低于2ma代表热电阻测温模块系统断电或者通信线路断线。
3、4－20ma通信系统的一般电路设计。4－20ma模拟量通信电路如图：4－20ma通信电路架构所示，应用现场前端由传感器组成，经由变送器将非标准的传感器信号转换为标准4－20ma通信信号，再发送到远端控制设备，由接收器接收上传至plc控制端。
目前市面上有较多的传感器设备或者执行器的成品模块已经集成了4－20ma通信功能，用户只需要自己搭建接收模块即可。接收模块正如下图：4－20ma通信电路架构所示，包含了采样器、信号调理电路、adc（模数转换）以及mcu（数据传输以及处理）。
但如果4－20ma通信携带的是一个高精度、数据范围比较宽的数据时（比如上个章节所提及的远端pt100热电阻温度监测系统，数据量范围－200－850℃，精度0.1％±1℃取最大值），接收模块精度达不到0.1％，则会引起数据传输误差，发挥不了传感器性能，那怎么去确保接收模块的采样数据准确呢？
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adc单元电路误差，如基准漂移、基准噪声，电源噪声、pcb布局等这都是外部影响adc转换精度因素；adc自身所带来的转换精度误差，如adc的失调误差、增益误差，无噪声分辨率低、积分非线性差等问题，带来转换精度误差。
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tps08u典型电路只需简单的外围电路就可以实现8通道的模拟信号采集（4－20ma and 0－5v），精度0.1％（电压为满量程精度）。模块电源采用3.3v供电，通信接口spi，同时，模块集成了电源及通信隔离电路（隔离dc：2500v），尺寸大小长＊宽＊高：31.8mm＊20.3mm＊6.5mm。详细资料可向当地销售获取。
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