許多普遍見於加工與製造工廠中的儀控（I&C：Instrumentation and Control）工業自動化應用，都使用類比電流迴路做為遠距測量以及遠端致動器控制的實體連線，使用的規格包括有4-20mA與5-50mA以及其他較不普遍的電流範圍，其中最受歡迎並且應用最廣泛的是4-20mA標準。

在4-20mA的電流迴路中，使用一對線來構成單變數的點對點連線，4-20mA的電流在迴路中流動，其中4mA定義為迴路0或迴路完備性良好信號，20mA則做為資訊傳送與接收的全幅數值。

因此，基本的遠端測量迴路包含通常為24V或36V的電源、以電流源方式運作的發送器、接線迴路以及透過感測精密電阻上電壓進行迴路電流測量的接收器，全部以串聯方式連接。控制迴路則擁有採用相同組態的相同零組件，但它的發送器則由控制信號驅動，而接收器則是一個由電流控制的致動器。

迴路中所有零組件的主要條件是必須要在連接迴路的所有接點與接地完全電氣隔離，其中的唯一例外是為了安全性必須要在一個單一實體接點進行接地，迴路中的任何其他地方則不能出現接地連結。

控制迴路電流電路的精確度就影響了迴路中電流的完備性，這代表了迴路電流必須被限制在迴路連線內，不能有任何分流路徑，迴路中不可以有任何一個地方將迴路電流導入其他路徑，例如接地迴路，另一方面，對於精確度的要求也帶動了迴路中零組件在電氣隔離上的需求。

發送器與接收器通常位於電流迴路相對的兩端，但電源則可以位於任一端，因此發送器可以是電流源，也可以扮演電流吸入的角色。

另一個迴路所隱含的情況是迴路電源電壓減去連線線路壓降以及接收器壓降後必須還足以確保發送器可以在符合定電流限制的條件下運作，並保留系統老化的餘裕空間，壓降的計算可以由銅纜線列表與接收器規格取得，並以最高工作溫度以及20mA最大電流為條件。

發送器

假設有完美的迴路完備性，那麼迴路的精確度基本上就由感測器或提供給發送器控制信號轉換為精密電流值精確度的影響，轉換的品質主要仰賴接收器端所測得轉換函數的線性度與穩定度，包括4mA的0狀態以及20mA的最高增益。

要維持系統的精確度，必須將轉換函數受溫度、迴路實際連線長度以及迴路電源穩定度的影響降到最低，電流迴路發送器的輸出也必須提供超高動態阻抗，高到足以確保發送端點電壓壓降對輸出電流的影響可以被忽略。

發送端點所能夠承受的最大電壓也相當重要，考慮到如工業廠房等高電磁干擾環境，當然越高越好，對高電壓瞬間變化較高的抑制能力可以讓發送器更有能力承受電磁突發情況，例如近距離閃電衝擊以及高電壓系統的短路，最小工作電壓也應該降到最低，原因是它限制了迴路的最大可能距離以及迴路中連接線的最小截面積。

圖一中的發送器電路提供有108到109Ω的超高輸出阻抗以及3V到90V符合多種標準電壓的寬廣工作電壓，標準的最低限制由運算放大器MAX4236的最低可允許電壓決定，在此為2.5V，最高電壓則由輸出元件在20mA最高電流條件下可承受的最高功率決定，在此為N通道空乏型MOSFET，對10ms左右的短暫時間，最大電壓可能高達200V。

輸出運作與DAC介面

輸出定電流源包含一個MOSFET空乏型電晶體BSP149，串聯一個參考用等級的分流穩壓器MAX6138A以及電流感測電阻RA，穩壓器提供精密MOSFET輸入運算放大器MAX4236的電源，透過驅動MOSFET的閘極來控制迴路電流，運算放大器的反相輸入則分別連接到分流穩壓器的負電壓端以及運算放大器的負電源端。

《圖一　通過迴路供電，具備隔離數位介面的4-20mA發送器。》

這樣的連接方式帶來了將RA上壓降控制到相等於運算放大器非反向輸入端與RA另一端共用負電源間的差異值，非反向輸入端的電位由穩壓器、寫入DAC的數值，以及RB、RC與RD的大小控制，以圖中的數值為例，可以透過由主控CPU將000h寫入DAC將迴路電流設定在4mA，或者寫入FFFh改變成為20mA。

MAX5530 DAC擁有12-bit的解析度以及低於1 LSB的差動非線性度，可以保證穩定單一的輸出，DAC本身3V的低工作電壓以及僅數μA的低工作電流帶來迴路供電運作以及這個數位迴路介面的廣大適用範圍。

DAC到輸出級電路間轉換函數的精確度由分流穩壓參考的精確度（0.1%）以及感測電阻RA誤差大小與DAC以及輸出介面電路中的RB、RC與RD電阻值決定，其他所有誤差的影響可以透過運算放大器110dB的高增益、輸入特性(20μV最大偏移以及2μV/oC溫度飄移)以及可以接受與負電源相同輸入的能力而加以忽略，如果需要較高的精確度，例如達到DAC的12-bit極限，那麼也可以透過使用機械式或積體電路方式電位計調整的標準調校技術來達成。

運算放大器能夠接受相同甚至低於負電源輸入的能力，對於電路的精確度也非常重要，原因是這樣的能力可以讓放大器強制讓本身的運作電流通過輸出電流感測電阻，成為本地回授控制下輸出電流的一部份。

DAC的供電

所有用來運作輸出級電路以及DAC的電源都來自迴路本身，4-20mA的電流會流經採用並聯方式供電的分流穩壓器、DAC以及運算放大器，由於DAC所需的電流大約為30μA，運算放大器為0.5mA，因此在就算是在迴路電流最低的4mA情況下還是有大約3.4mA的足夠電流讓分流穩壓器可以維持在穩壓狀態，在加上電源時能夠保證啟動的穩定，原因是0閘級電壓會讓空乏型MOSFET處於導通狀態。

接收器

基本的迴路接收器是一個與電流迴路串聯的精密感測電阻，如圖二中的RA ，運算放大器讀取電阻上的壓降並利用這個電壓以歐姆定律來計算出迴路的電流值，在這個例子中，電阻電壓在電阻之後立即由使用相同迴路電流供電的電路進行處理與數位化。

《圖二　具備隔離數位介面的低耗電4-20mA接收器數位化電路。》

感測電阻與用來提供處理放大器、將信號進行數位化的ADC，以及傳送資料到數位控制系統數位隔離器電源的3V精密分流穩壓器MAX6138A串聯，因此，接收器對於迴路而言可以看做是12.5Ω的電阻，並和與迴路電流無關的固定3V串聯。

輸入放大器MAX4236會將感測電阻上的壓降以反向增益10（±0.035%）放大，並且將電壓位準移到ADC的輸入電壓範圍內，這樣做之所以可行，是因為MAX4236可以在輸入與負電源電壓相同的情況下運作，增益精確度也能夠透過運算放大器的高開迴路增益以及MAX5490A超精密晶片電阻式分壓電路的比例精確度保證。

ADC

在與數位控制系統的交互運作下，MAX1240 ADC會將信號放大器的輸出轉換為12-bit的數位碼，由於ADC的解析度為12-bit同時積分非線度為0.5 LSB，因此可以由低於1 LSB的差動非線性保證輸出碼的單一性。

從感測電阻的壓降轉換成轉換器的數位輸出碼，ADC的整體輸出不確定性為0.10% 加上30ppm/ºC的溫度係數，這兩項規格都可以由ADC內部參考的特性導出，要取得整體接收器的非線性值，我們也必須加入誤差以及感測電阻RA的溫度係數，請參考圖二。

DAC與ADC的隔離數位介面

由於迴路發送器與接收器都需要電氣隔離，因此它們的數位介面以及電源也必須進行電氣隔離，我們可以透過迴路工作電流取得發送器與接收器運作所需的電源，數位介面則可以藉由電磁或光學耦合來達成。

圖一與圖二電路中的DAC與ADC都使用標準的SPI三線式串列週邊介面來讀寫資料，請參考參考文獻4，對於DAC而言，這三個信號由主控CPU連接到DAC週邊，對於ADC，其中兩個信號由CPU流向ADC，另一個則由ADC流向CPU。

這些電路中的數位信號可以透過包含三通道資料的磁性數位耦合電路進行雙向耦合，在發送端，耦合電路包含邊緣偵測器，由監視相同輸入信號的兩個史密特觸發輸入反向器組成，其中一個為信號本身，另一個則為大約20ns些微延遲的版本。

以不同的角度看待反向器輸出，可以看到輸入信號發生變換時會產生脈衝，脈衝的正反極性則由信號緣決定，脈衝寬度則是兩個轉換器輸入間的時間差。

這個脈衝被送到小型變壓器TX的一次端，鐵心尺寸為3.5mm直徑x 3.25mm長，一次端連接邊緣偵測器的輸出，在耦合器的接收端，非反向緩衝器或串接的兩個反向器，則透過連接緩衝器輸入與輸出間TX的二次端做為正反器。

由邊緣偵測電路所產生的脈衝信號可以來設定或重設正反器，因此能夠在輸出端重現邊緣偵測器的輸入信號，傳遞延遲時間大約為15ns，電路以最小脈衝寬度為40ns運作直到直流，這個動作讓資料連線速度可以達到數十MHz。

《圖三　》

但是簡單的磁性耦合卻會帶來不方便性，那就是輸出導通狀態只有在輸入出現第一個邊緣變化後才能確認，雖然可以透過利用軟體放棄第一個讀取值而不會影響接收端的數位化電路，但如果發送器是被用來驅動致動器，那麼就可能會造成問題。

做為另一種選擇，發送器電路可以使用光耦合器隔離進行測試，請參考圖三，運作上幾乎與磁性耦合一樣能夠達到良好效果，不過運作速度則會因為受到DAC端有限電源的限制而只能達到數10 KHz。

---本文作者為美商美信（Maxim）公司應用工程師---