在任何製程控制系統中，感測器發送器會整理從壓力和溫度到流量和位準的資料，並將這些資訊傳遞到可編程邏輯控制器 (PLC) 或分散式控制系統。

這些發送器依賴 4mA 至 20mA 訊號將資料傳輸至控制器。儘管有 IO-Link 和 Profibus 等標準的出現，4mA 至 20mA 仍可在長距離下提供彈性、可靠性、抗雜訊性，以及與每個 PLC 系統的通用相容性。

在本文中，我將概述 4mA 至 20mA 發送器結構、其運作原理以及使用半導體型錄產品實作此發送器類型的替代設計。

4mA 至 20mA 發送器根據電源和電線數量分為四線、三線和雙線。我將在本文中重點介紹雙線類型。

透過連接電場電源和類比輸入模組，圖 1 中的雙線現場發送器形成電流迴路。現場發送器中的第一個子系統為感測子系統，其連接至實體感測器，調整輸出，然後將訊號轉換為數位程式碼以進線性化與校正等處理。第二個子系統為傳輸子系統，其從迴路中擷取電力為發送器供電，並將數位訊號轉換回類比訊號以傳送處理資料，並控制迴路電流。發送器透過在迴路中調節電流來傳輸訊號，並作為電壓受控的電流來源。

在 圖 2 中，N 通道 P 通道 N 通道 (NPN) 電晶體汲取並調節電流，其基極透過由數位轉類比轉換器 (DAC) 驅動的放大器進行控制。大範圍輸入電壓低壓降 (LDO) 穩壓器可將迴路電壓降至發送器的供電位準，來為不同元件供電。如果 DAC 沒有整合式參考可使用電壓參考，而啟用高速可尋址遠程傳感器 (HART) 的發送器需要 HART 數據機。

運作原理非常簡單：將運算放大器的兩個輸入保持在虛擬本地接地。無論 R1 具有什麼電壓，Rsense 也有。藉由適當的調整，Rsense 帶有經調節的 R1 電流。鑑於 Rsense 電流幾乎是現場發送器全部的電流 (甚至涵蓋 圖 2 未描述到的感測部分)，DAC 輸出控制了整個發送器電流。NPN 電晶體和放大器迴路繞過必要的電流，以補充發送器本身使用的任何電流，藉此達到所需的輸出電流。

4mA 至 20mA 發送器設計考量因素有：

• 低功耗運作。
• 體積小巧。
• 整個工業用溫度範圍均維持準確度和低雜訊。
• HART 通訊協定支援。
• 低成本。

發送器性能指標有幾項需要評估：

迴路合規電壓是發送器正常運作的迴路電壓範圍。主要由 LDO 限制決定，並受保護裝置等迴路內的串聯元件影響。典型迴路遵循電壓範圍為 12V 至 36V。

解析度是發送器可以產生並直接連結至 DAC 原生解析度的不同電流輸出值的數量。商業 4mA 至 20mA 發送器的解析度介於 12 位元至 16 位元之間。

線性誤差主要由 DAC 的積分非線性決定，也是整個輸出範圍中的最大誤差 (以最低有效位元 [LSB] 為單位)。

雜訊是以輸出雜訊電流的均方根 (RMS) 測量而得。這種雜訊會使部分輸出位準難以區分，而降低有效解析度。在本情況下，有效解析度是對雜訊性能的測量。對於 16 位解析度系統，有效解析度預期在 13 位元和 15 位元之間，視訊號頻寬而定。

準確度會測量電流輸出與理想電流值的偏差。這包括偏移誤差、增益誤差及非線性誤差的 RMS 總和，再加上這些數值的溫度漂移。未調整的總誤差表示不準確的程度。

動態性能包括訊號頻寬和發送器穩定性。頻寬是指可在迴路上傳輸的最大電流訊號頻寬。此頻寬是由 DAC 安定時間和放大器電路頻寬，以及旁路電晶體的轉導決定。使用退化電阻器可消除對電晶體轉導 (g_m) 變化的依賴。放大器電路通常也會在外部補償。穩定性與迴路的頻寬和補償電容器值有關。減少迴路關鍵節點上的電容可確保穩定性。如需迴路穩定性及其需求的詳細分析，請參閱 DAC161S997 產品規格表。如果發送器支援 HART，減少外部元件的頻寬有助於防止 HART 訊號干擾。

電路保護會保護發送器不發生反向迴路極性和突波事件等異常情況。反向極性由二極體阻斷。如果以反向極性操作發送器，請使用整流器電橋，如 圖 3 所示。突波防護需要暫態電壓抑制二極體 (例如 TVS3301) 和被動元件來限制高電壓事件期間的電流。這類保護元件在運作過程中需要一些空餘空間，並會增加最低合規電壓。