 Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2012, 2, 126-131 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2012.23023 Published Online August 2012 (http://www.hanspub.org/journal/csa.html) The Output Circuit Design Method for Remote Transmission of Multi-Channel 4 - 20 mA Signal* He Zhou1, Yafu Zhou2, Xinwei Zhou3 1Department of Automation Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 2School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 3Department of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang University, Hangzhou Email: cloverskywalker@yahoo.com.cn, dlzyf62@126.com, zhouxinwei0302@hotmail.com Received: Jul. 1st, 2012; revised: Jul. 24th, 2012; accepted: Aug. 6th, 2012 Abstract: This paper introduces a novel design of 4 - 20 mA output circuit about remote transmission of multiple sig- nals, it is a different circuit with the widely used at present, the circuit can realize the multi-channel 4 - 20 mA signal common ground in the distal. This new method not only can solve the problem of sampling of distal of the same com- puter, but also can save a large amount of wiring. Analyzed by computer simulation and circuit experiment, we prove that the proposed circuit hardware design method has the advantages of high precision and simple wiring, and it is able to meet the application in multi-channel 4 - 20 mA signal remote transmission. Keywords: 4 - 20 mA Signal Output; Signal Remote Transmission; Computer Sampling 面向多路 4~20 mA 信号远程传输的输出电路设计方法* 周 鹤1，周雅夫 2，周心炜 3 1西安交通大学自动化科学与技术系，西安 2大连理工大学汽车工程学院，大连 3浙江大学机械工程自动化系，杭州 Email: cloverskywalker@yahoo.com.cn, dlzyf62@126.com, zhouxinwei0302@hotmail.com 收稿日期：2012 年7月1日；修回日期：2012年7月24 日；录用日期：2012年8月6日 摘 要：本文提出了一种面向多路信号远程传输的 4~20 mA 输出电路设计方法，该电路与目前广泛应用的同功 能电路不同，可实现多路4~20 mA 信号在远端共地，不仅解决了远端计算机共地采样问题，而且节省了大量布 线。通过仿真分析和电路实验测试，证明所提出的电路硬件设计方法具有布线简单、精度高等优点，能够满足 多路 4~20 mA 信号的远程传输需求。 关键词：4~20 mA 信号输出；远程信号传输；计算机采样 1. 引言 混合动力电动汽车动力总成台架实验时要进行 多种信号的实时监控，由于动力总成中既有驱动电机 的大电流，又有发动机的高压点火，信号长距离传输 极易受到干扰，传输线的分布电阻还会产生压降，故 通常采用 4~20 mA电流进行信号传输[1-3]。目前，监 控计算机中的多路A/D 信号采样电路有两种，一种是 多路共地的采样板[4]，另一种是通道相互隔离的采样 板[5]，前者不适合对目前流行的多路 4~20 mA 电流信 号进行采样，而后者虽然可以对目前流行的多路4~20 mA 电流信号进行采样，但价格是前者的数倍，且布 线量大。 针对以上问题，本文提出一种新的4~20 mA 电流 输出电路。该电路与目前广泛采用的4~20 mA 电流输 *基金项目：国家“十二五”节能与新能源汽车“863”重大专项 (2010AA1123091001)。 Copyright © 2012 Hanspub 126  面向多路 4~20 mA信号远程传输的输出电路设计方法 出电路不同，不仅对输出布线和元器件要求不高，而 且能够实现远程共地，减少大量布线，很适合应用于 多路 4~20 mA 电流信号的远程共地传输。 2. 电路原理及仿真分析 2.1. 电路原理 图1是本文提出的 4~20 mA输出电路与目前广泛 采用的 4~20 mA输出电路外部接线的比较，其中图 1(a)为本文提出的4~20 mA输出电路外部接线框图， 图1(b)是目前广泛采用的 4~20 mA输出电路外部接线 框图[6]。从图中可以看出 2者的区别有两点，对于图 1(a)来说，若有n路信号，需要n + 1根信号线，远端 信号采样共地；对于图 1(b)来说，若同样有 n路信号， 需要 2n根信号线，远端信号采样隔离。 图2为两种输出电路内部电路的对比，其中图 2(a) 是本文提出的 4~20 mA输出电路内部框图，图 2(b) 是目前广泛采用的 4~20 mA输出电路内部框图。图 2(a)和图 2(b)的主要差别在于二者的电流取样点不同， 图2(a)的电流取样点在电流的输出线上，图 2(b)的 4-20mA输出信号 第一路 4-20mA输出信号 第二路 4-20mA输出信号 第N路 R线路 R线路 R线路 (a) 4-20mA 输出信号 第一路 4-20mA 输出信号 第二路 4-20mA 输出信号 第N路 R 线路 R 线路 R线路 (b) Figure 1. The contrast between external connection of two kinds of output circuits: (a) The 4 - 20 mA output circuit proposed by this paper; (b) The 4 - 20 mA output circuit widely used at present 图1. 两种输出电路外部接线对比：(a) 本文提出的 4~20 mA输出 电路；(b) 目前广泛采用的 4~20 mA输出电路 电压比较器 in U x U i R o U s R 0 E 外线路传输 仪表放大器 (a) 电压比较器 in U x U i R o U s R 0 E 外线路传输 (b) Figure 2. Contrast between internal circuit of two output circuits 图2. 两种输出电路内部电路对比 电流取样点在电流的返回线上。对以远程共地的信号 传输，图 2(a)采样到的电流输出线上的电流仅仅代表 一路信号的电流，其它共地的信号对取样信号没有影 响，图 2(b)采样到的电流返回线上的电流包含多路电 流信息，各共地信号相互影响采样信息。图 2(b)的工 作原理为大家熟知，这里不再赘述，下面仅就图 2(a) 的工作原理作简要介绍。 图2(a)中RS为电流取样电阻，RL为负载电阻， RL在不同应用场合为不同值；IL为输出电流，实际标 准为 4~20 mA，即4 mA 为被测物理量的零点，20 mA 为被测物理量的满度值；US为取样电阻两端的电压， UX为仪表放大器的输出电压。框图中仪表放大器的放 大倍数为 A，仪表放大器的输出电压为： XLS UIRA (1) 电压比较器的特性如图3所示，其中 U+为正向饱 和电压，U 为负向饱和电压，ΔU为正向饱和电压到 负向饱和电压变化时对应的输入端电压变化，即比较 器暂态区的宽度。根据图3可知，比较器有三个工作 区，利用“+”输入端电压 UX与“ –”输入端电压Uin 进行比较说明，当 2 out in UU U 时，工作在正向 饱和区，其输出电压接近正供电电源电压；反之， Copyright © 2012 Hanspub 127  面向多路 4~20 mA信号远程传输的输出电路设计方法 Copyright © 2012 Hanspub 128 0 o U inout UU UΔ U U in L S U I RA (3) 由此可知，该电路电流信号仅取决于比较器“–” 输入端电压 Uin，与负载无关，比较器的比较精度取 决于暂态区 ΔU的宽度和U+、的摆幅，即U UU U 值越大精度越高。而 RSA = 常数，故 此设计电路又为一压控恒流源电路。 2.2. 仿真分析 Figure 3. The characteristic curve of voltage comparator 图3. 电压比较器的特性曲线图 为进一步分析所设 计电路的有效性，首先在 multisim 下设计两个分立电路如图4所示。 当2 in out UU U时，比较器则工作在负向饱和区， 其输出电压接近负供电电源电压。以上二区均为稳态 工作区。当 outin UU U 时，比较器则工作在暂态 区。通常比较器的 ΔU都很小，尤其是精密比较器， ΔU更小，如比较器LM339 的 。 10 mVU 在图 4中，A电路输出电流值范围3~17 mA，频 率为 10 Hz 的正弦电流，B电路输出电流值范围 3~17 mA，频率为100 Hz 的正弦电流。在multisim仿真环 境下，分别测量两负载电阻 RL， L R上的电流，得到 如图 5(a)及(b)所示不存在相互干扰的两组正弦变化的 电流波形。 正是利用电压比较器暂态区对输出电压的超高 控制灵敏度这一特点，找到比较器的动态平衡点。若 Uin > Uout，则 Uo↓→IL↑→Us↑→Uout↑直到Uout = Uin；若 Uin < Uout，则 Uo↑→IL↓→Us↓→Uout↓直到 Uout = Uin。故动态平衡点为： 采用本文所提出的方法建立图6所示的仿真电 路。在图6中，分别测量两负载电阻 RL， L R 上的电 流，得到的电流波形如图7(a)及(b) 所示，通过对比图 5分立的电流波形，可以看本文所提出的电路消除了 干扰现象，能够输出完好的正弦波形，证明了所设计 电路的有效性。 out in UU (2) 利用公式(1)、(2)可得： 3 R ’ L I ’ +24V 传感器 信号 Ui’ + - +12V比较器 20 mΩ Q1’ 2 R ’ -12V 4 R ’ 20mΩ 1 R ’ 6 R ’ 200K 200K 100Ω R ’ 5 U1' 3 R L I +24V 传感器 信号 Ui + - +12 V 比较器 500Ω 20mΩ Q1 2 R -12V 4 R 20 mΩ 1 R 6 R 200K 200K 100Ω R5 U1 负载电阻 负载电阻 采样电阻 采样电阻 500Ω A电路 B电路 Figure 4. The diagram of discrete circuit 图4. 分立电路图  面向多路 4~20 mA信号远程传输的输出电路设计方法 Figure 5. The waveform of load resistance in discrete circuit 图5. 分立电路负载电阻上的波形 6 R 20mΩ 3 R L I +24V 传感器 信号 Ui + - +12V 比较器 20mΩ 50Ω Q1 2 R -12V 1 R200K 200K U1 500Ω R5 + - +12V -12V AD620 G R 4 R 3 R ’ +24V 传感器 信号 Ui’ + - +12V 比较器 50Ω Q1' 2 R ’ -12V 1 R ’ 200K 200K U1' 500Ω + - +12V -12V AD620 GR ’ 4R ’ L ’ I 负载电阻 负载电阻 采样电阻 采样电阻 PC 电阻 A电路 B电路 Figure 6. The schematic of output circuit proposed in this paper 图6. 本文所提出输出电路的电路图 Copyright © 2012 Hanspub 129  面向多路 4~20 mA信号远程传输的输出电路设计方法 Copyright © 2012 Hanspub 130 Figure 7. The waveform of load resistance in this paper 图7. 本文电路负载电阻上的波形 3. 实验电路与测试结果 根据图 8可知，实验电路的取样电阻RS接在负载 RL的上方，即取样电压US是浮地结构，所以运算放 大器采用差动输入。值得注意一点的是，运算放大器、 电压比较器和三极管的供电电压需保持一致，否则浮 动的共模电压会使运算放大器和电压比较器不能正 常工作。 3.1. 硬件实验电路设计 硬件设计实验电路如图8所示。其中微处理器采 用Microchip 公司的dspic33F系列作为主控芯片，该 处理器是一种性价比较高的芯片，系统可靠性强，处 理器速度最快可达40MIPS，能够很好地适应现场调 试要求。D/A 转换芯片采用TLC5615 芯片[7,8]，该芯 片为串行半参放 10位D/A。电压比较器采用LM339 芯片。仪表放大器采用AD620 高精度仪表放大器， 其增益范围为1至10,000。 3.2. 测试结果与分析 根据所搭建硬件电路，分别对其进行线性度测试 及恒流特性测试，其中线性度测试时取负载电阻RL = 500 Ω，恒流特性测试时取负载电流IL = 20 mA。实 验 测试结果如表1和表 2所示。 在进行 D/A 转换时，TLC5615 的参考电压 VR = 1.25 V，则其参放电压为2VR = 2.5 V，对应的数字量 相应为 0~1023。此外，参考电压的稳定性可提高转换 精度。 经过上述实验测试结果分析可知，该测试电路的 线性度较好，在负载一定时，小负荷电流较大负荷电 流有更好的线性度。在负载电流不变时，该电路的恒 流特性有着较高的精度，并且相对误差低于0.5%，能 够满足工业需求，是一种精度较高的压控恒流源电 路。 S R L R out U S U L I +E C 微处理器 out D/A R V R V A/D AD0 + + - - +E +E -E -E dsPIC 33FJ TLC5615 LM339 AD620 5.1K 100Ω 10μF 1N4004 2N5401 G R 1 R 4. 总结 本电路的设计能够为远距离过程控制系统传输 信号提供可靠的理论依据。通过仿真分析和实验测试 可知，该电路调试方便、性能稳定、精度高，同时该 电路与数字信号处理器相结合可较好完成自校零、 Figure 8. Experiment circuit diagram of hardware design 图8. 硬件设计实验电路图  面向多路 4~20 mA信号远程传输的输出电路设计方法 Table 1. Linearity test (RL = 500 Ω) 表1. 线性度测试(RL = 500 Ω) IL (mA) DS (Bit) DX (Bit) δ (%) 4 160 159 –0.125 5 200 199 –0.125 6 240 240 0.00 7 280 282 0.250 8 320 320 0.00 9 360 360 0.00 10 400 401 0.125 11 440 441 0.125 12 480 482 0.250 13 520 522 0.250 14 560 563 0.375 15 600 603 0.375 16 640 643 0.375 17 680 684 0.500 18 720 724 0.500 19 760 764 0.500 20 800 804 0.500 IL——负载电流，DS——理论值，DX——测量值，δ——相对满度误差。 Table 2. Constant current characteristic test (IL = 20 mA) 表2. 恒流特性测试(IL = 20 mA) RL 125 250 500 750 1000 Ω IL 20.024 20.040 19.962 19.942 19.924 mA δ 0.12 0.20 –0.19 –0.29 –0.38 % RL——负载电阻，IL——实测负载电流，δ——相对误差。 自校满功能，对于精度要求极高的场合，可进行线性 化处理，使其在工业应用领域、过程控制领域拥有较 好的应用价值。 参考文献 (References) [1] 范传阳, 聂诗良. 基于单片机的转速测量及输出 4~20 mA电 流的系统设计[J]. 西南科技大学学报, 2012, 31(1): 74-76. [2] 孙刚, 郑文刚, 中长军等. 基于MODBUS 协议的 4~20 mA 电流输出智能模块[J]. 仪表技术与传感器, 2010, 45(3): 78- 79. 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