许多普遍见于加工与制造工厂中的仪控（I&C：Instrumentation and Control）工业自动化应用，都使用类比电流回路做为远距测量以及远端致动器控制的实体连线，使用的规格包括有4 -20mA与5-50mA以及其他较不普遍的电流范围，其中最受欢迎并且应用最广泛的是4-20mA标准。

在4-20mA的电流回路中，使用一对线来构成单变数的点对点连线，4-20mA的电流在回路中流动，其中4mA定义为回路0或回路完备性良好信号，20mA则做为资讯传送与接收的全幅数值。

因此，基本的远端测量回路包含通常为24V或36V的电源、以电流源方式运作的发送器、接线回路以及透过感测精密电阻上电压进行回路电流测量的接收器，全部以串联方式连接。控制回路则拥有采用相同组态的相同零组件，但它的发送器则由控制信号驱动，而接收器则是一个由电流控制的致动器。

回路中所有零组件的主要条件是必须要​​在连接回路的所有接点与接地完全电气隔离，其中的唯一例外是为了安全性必须要在一个单一实体接点进行接地，回路中的任何其他地方则不能出现接地连结。

控制回路电流电路的精确度就影响了回路中电流的完备性，这代表了回路电流必须被限制在回路连线内，不能有任何分流路径，回路中不可以有任何一个地方将回路电流导入其他路径，例如接地回路，另一方面，对于精确度的要求也带动了回路中零组件在电气隔离上的需求。

发送器与接收器通常位于电流回路相对的两端，但电源则可以位于任一端，因此发送器可以是电流源，也可以扮演电流吸入的角色。

另一个回路所隐含的情况是回路电源电压减去连线线路压降以及接收器压降后必须还足以确保发送器可以在符合定电流限制的条件下运作，并保留系统老化的余裕空间，压降的计算可以由铜缆线列表与接收器规格取得，并以最高工作温度以及20mA最大电流为条件。

发送器

假设有完美的回路完备性，那么回路的精确度基本上就由感测器或提供给发送器控制信号转换为精密电流值精确度的影响，转换的品质主要仰赖接收器端所测得转换函数的线性度与稳定度，包括4mA的0状态以及20mA的最高增益。

要维持系统的精确度，必须将转换函数受温度、回路实际连线长度以及回路电源稳定度的影响降到最低，电流回路发送器的输出也必须提供超高动态阻抗，高到足以确保发送端点电压压降对输出电流的影响可以被忽略。

发送端点所能够承受的最大电压也相当重要，考虑到如工业厂房等高电磁干扰环境，当然越高越好，对高电压瞬间变化较高的抑制能力可以让发送器更有能力承受电磁突发情况，例如近距离闪电冲击以及高电压系统的短路，最小工作电压也应该降到最低，原因是它限制了回路的最大可能距离以及回路中连接线的最小截面积。

图一中的发送器电路提供有108到109Ω的超高输出阻抗以及3V到90V符合多种标准电压的宽广工作电压，标准的最低限制由运算放大器MAX4236的最低可允许电压决定，在此为2.5V ，最高电压则由输出元件在20mA最高电流条件下可承受的最高功率决定，在此为N通道空乏型MOSFET，对10ms左右的短暂时间，最大电压可能高达200V。

输出运作与DAC介面

输出定电流源包含一个MOSFET空乏型电晶体BSP149，串联一个参考用等级的分流稳压器MAX6138A以及电流感测电阻RA，稳压器提供精密MOSFET输入运算放大器MAX4236的电源，透过驱动MOSFET的闸极来控制回路电流，运算放大器的反相输入则分别连接到分流稳压器的负电压端以及运算放大器的负电源端。

《图一　通过回路供电，具备隔离数位介面的4-20mA发送器。 》

这样的连接方式带来了将RA上压降控制到相等于运算放大器非反向输入端与RA另一端共用负电源间的差异值，非反向输入端的电位由稳压器、写入DAC的数值，以及RB、RC与RD的大小控制，以图中的数值为例，可以透过由主控CPU将000h写入DAC将回路电流设定在4mA，或者写入FFFh改变成为20mA。

MAX5530 DAC拥有12-bit的解析度以及低于1 LSB的差动非线性度，可以保证稳定单一的输出，DAC本身3V的低工作电压以及仅数μA的低工作电流带来回路供电运作以及这个数位回路介面的广大适用范围。

DAC到输出级电路间转换函数的精确度由分流稳压参考的精确度（0.1%）以及感测电阻RA误差大小与DAC以及输出介面电路中的RB、RC与RD电阻值决定，其他所有误差的影响可以透过运算放大器110dB的高增益、输入特性(20μV最大偏移以及2μV/oC温度飘移)以及可以接受与负电源相同输入的能力而加以忽略，如果需要较高的精确度，例如达到DAC的12-bit极限，那么也可以透过使用机械式或积体电路方式电位计调整的标准调校技术来达成。

运算放大器能够接受相同甚至低于负电源输入的能力，对于电路的精确度也非常重要，原因是这样的能力可以让放大器强制让本身的运作电流通过输出电流感测电阻，成为本地回授控制下输出电流的一部份。

DAC的供电

所有用来运作输出级电路以及DAC的电源都来自回路本身，4-20mA的电流会流经采用并联方式供电的分流稳压器、DAC以及运算放大器，由于DAC所需的电流大约为30μA，运算放大器为0.5mA，因此在就算是在回路电流最低的4mA情况下还是有大约3.4mA的足够电流让分流稳压器可以维持在稳压状态，在加上电源时能够保证启动的稳定，原因是0闸级电压会让空乏型MOSFET处于导通状态。

接收器

基本的回路接收器是一个与电流回路串联的精密感测电阻，如图二中的RA ，运算放大器读取电阻上的压降并利用这个电压以欧姆定律来计算出回路的电流值，在这个例子中，电阻电压在电阻之后立即由使用相同回路电流供电的电路进行处理与数位化。

《图二　具备隔离数位介面的低耗电4-20mA接收器数位化电路。 》

感测电阻与用来提供处理放大器、将信号进行数位化的ADC，以及传送资料到数位控制系统数位隔离器电源的3V精密分流稳压器MAX6138A串联，因此，接收器对于回路而言可以看做是12.5Ω的电阻，并和与回路电流无关的固定3V串联。

输入放大器MAX4236会将感测电阻上的压降以反向增益10（±0.035%）放大，并且将电压位准移到ADC的输入电压范围内，这样做之所以可行，是因为MAX4236可以在输入与负电源电压相同的情况下运作，增益精确度也能够透过运算放大器的高开回路增益以及MAX5490A超精密晶片电阻式分压电路的比例精确度保证。

ADC

在与数位控制系统的交互运作下，MAX1240 ADC会将信号放大器的输出转换为12-bit的数位码，由于ADC的解析度为12-bit同时积分非线度为0.5 LSB，因此可以由低于1 LSB的差动非线性保证输出码的单一性。

从感测电阻的压降转换成转换器的数位输出码，ADC的整体输出不确定性为0.10% 加上30ppm/ºC的温度系数，这两项规格都可以由ADC内部参考的特性导出，要取得整体接收器的非线性值，我们也必须加入误差以及感测电阻RA的温度系数，请参考图二。

DAC与ADC的隔离数位介面

由于回路发送器与接收器都需要电气隔离，因此它们的数位介面以及电源也必须进行电气隔离，我们可以透过回路工作电流取得发送器与接收器运作所需的电源，数位介面则可以藉由电磁或光学耦合来达成。

图一与图二电路中的DAC与ADC都使用标准的SPI三线式串列周边介面来读写资料，请参考参考文献4，对于DAC而言，这三个信号由主控CPU连接到DAC周边，对于ADC，其中两个信号由CPU流向ADC，另一个则由ADC流向CPU。

这些电路中的数位信号可以透过包含三通道资料的磁性数位耦合电路进行双向耦合，在发送端，耦合电路包含边缘侦测器，由监视相同输入信号的两个史密特触发输入反向器组成，其中一个为信号本身，另一个则为大约20ns些微延迟的版本。

以不同的角度看待反向器输出，可以看到输入信号发生变换时会产生脉冲，脉冲的正反极性则由信号缘决定，脉冲宽度则是两个转换器输入间的时间差。

这个脉冲被送到小型变压器TX的一次端，铁心尺寸为3.5mm直径x 3.25mm长，一次端连接边缘侦测器的输出，在耦合器的接收端，非反向缓冲器或串接的两个反向器，则透过连接缓冲器输入与输出间TX的二次端做为正反器。

由边缘侦测电路所产生的脉冲信号可以来设定或重设正反器，因此能够在输出端重现边缘侦测器的输入信号，传递延迟时间大约为15ns，电路以最小脉冲宽度为40ns运作直到直流，这个动作让资料连线速度可以达到数十MHz。

《图三　》

但是简单的磁性耦合却会带来不方便性，那就是输出导通状态只有在输入出现第一个边缘变化后才能确认，虽然可以透过利用软体放弃第一个读取值而不会影响接收端的数位化电路，但如果发送器是被用来驱动致动器，那么就可能会造成问题。

做为另一种选择，发送器电路可以使用光耦合器隔离进行测试，请参考图三，运作上几乎与磁性耦合一样能够达到良好效果，不过运作速度则会因为受到DAC端有限电源的限制而只能达到数10 KHz。

---本文作者为美商美信（Maxim）公司应用工程师---