4-20mA_0-20mA_±5V_±10V等標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換及無(wú)擾傳輸
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/11/25 11:50:08
- 作者：銀河電氣
一前言
在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，您是否經(jīng)常為如下問(wèn)題苦惱？
0-5V如何轉(zhuǎn)變?yōu)?span style="font-family:'Microsoft YaHei';font-size:14px;">4-20mA、0-20mA或4-24mA？
0-10V如何轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA、0-20mA或4-24mA？
±5V、±10V交流電壓信號(hào)如何轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA、0-20mA或4-24mA直流電流信號(hào)？
如何對(duì)
變送器和采集板卡之間建立電氣隔離，提高電磁兼容性和測(cè)量安全性？
如何保持0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中不受干擾或衰減？
二常規(guī)的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換思路
常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)有：0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA。常見(jiàn)的變送器或傳感器采用上述一種或多種制式輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
常見(jiàn)二次儀表或采集卡一般可接受上述一種或多種制式的輸入信號(hào)。
當(dāng)變送器或傳感器的輸出信號(hào)與二次儀表或采集卡輸入信號(hào)制式不同時(shí)，我們需要在它們之間增加一個(gè)轉(zhuǎn)換器。
由于4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸過(guò)程無(wú)衰減等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
經(jīng)常為了實(shí)現(xiàn)接口兼容或提升電磁兼容性，需要將0-5V、0-10V等標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，或者需要將4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合采集卡輸入的0-5V或0-10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。
上述轉(zhuǎn)變通常通過(guò)一運(yùn)算放大器為核心的模擬電路實(shí)現(xiàn)，也有采用如AD693、AD694、AM462、XTR105等專用4-20mA轉(zhuǎn)換或隔離IC。
圖1為0-5V電壓輸入轉(zhuǎn)換為4-20mA電流輸出的典型電路原理圖：
圖1 0-5V轉(zhuǎn)換為4-20mA電路原理圖
各種轉(zhuǎn)換電路具有成本低，體積小等優(yōu)點(diǎn)，適合在專用量產(chǎn)的產(chǎn)品中應(yīng)用，由于受通用性差、制作周期，產(chǎn)品調(diào)試，電磁兼容等等問(wèn)題的影響和約束，不適合用于解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)遇到的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。
三OPC420的4-20mA轉(zhuǎn)換與傳輸原理
第二節(jié)的圖1中所示電路可以較好的滿足0-5V至4-20mA的轉(zhuǎn)換，適當(dāng)變換電路，也可實(shí)現(xiàn)0-5V至0-20mA的轉(zhuǎn)換。
當(dāng)輸入和輸出固定時(shí)，可以采用專用電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)希望轉(zhuǎn)換電路較通用時(shí)，比如說(shuō)，輸出可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7種制式時(shí)，要考慮7種電路的組合。而當(dāng)輸入也要在7中制式中中選擇時(shí)，根據(jù)排列組合原理，需要7×6=42種電路的組合，電路將過(guò)于復(fù)雜而變得不實(shí)用。
實(shí)時(shí)上，在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的今天，這種排列組合類的問(wèn)題，完全可以交給各類微處理器通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，輸入只需實(shí)現(xiàn)0-24mA電流和±10V電壓的測(cè)量，輸入電路匹配一個(gè)250Ω的高精度采樣電阻，將20mA電流信號(hào)變換為5V電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大變換為10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，之所以不采用500Ω電阻，是為了降低前端變送器的輸出負(fù)荷，同時(shí)，也降低了對(duì)前端變送器的最大順從電壓的要求。電壓信號(hào)可直接輸入。若電壓輸出的前端變送器不能驅(qū)動(dòng)250Ω，可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)切除采樣電阻，降低變送器的二次負(fù)荷。
不論是電壓信號(hào)還是電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)上述調(diào)理電路之后，均變?yōu)锳D可接受的標(biāo)準(zhǔn)±10V電壓信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換電路變換為串行數(shù)據(jù)輸出。
為了兼容4-24mA電流信號(hào)或測(cè)量更寬的電壓、電流范圍，以便與各種電量或非電量傳感器、變送器輸出兼容，調(diào)整電路參數(shù)可允許電路輸入500mA、30V的峰值電壓和峰值電流信號(hào)。
同時(shí)，變送器輸入采用多量程自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，可精確測(cè)量1mA～500mA、60mV～30V以內(nèi)的各種電流和電壓信號(hào)。為了提高信號(hào)傳輸?shù)碾姶偶嫒菪院脱娱L(zhǎng)無(wú)損傳輸距離，輸出數(shù)字信號(hào)采用光纖傳輸。
OPC420/B光纖轉(zhuǎn)換器為將上述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸出的轉(zhuǎn)換裝置。
其輸出可兼容0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7中標(biāo)準(zhǔn)模擬量傳輸制式。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可方便的切換輸出制式。
圖2 OPC420/A和OPC420/B組合使用實(shí)現(xiàn)4-20mA等各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)模擬量的轉(zhuǎn)換與傳輸
四OPC420光纖轉(zhuǎn)換器應(yīng)用案例
OPC420/A和OPC420/B光纖轉(zhuǎn)換器組合使用，可方便的實(shí)現(xiàn)：
1、0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換；
2、輸入可兼容1mA～500mA、60mV～30V以內(nèi)的各種電流和電壓信號(hào)，可方便的與各種傳感器直接配套；
3、輸入輸出之間完全電氣隔離，確保二次測(cè)量的安全進(jìn)行和良好的電磁兼容性；
4、可實(shí)現(xiàn)100m的無(wú)擾、無(wú)損傳輸，增加中繼可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸。
變頻器給我們帶來(lái)方便和節(jié)能的同時(shí)，也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，OPC420光纖轉(zhuǎn)換器套件特別適用于各種變頻節(jié)能系統(tǒng)改造后，復(fù)雜電磁環(huán)境下各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸。圖3 為OPC420/A和OPC420/B光纖轉(zhuǎn)換器用于恒壓供水系統(tǒng)中的測(cè)量（水壓）信號(hào)和控制（頻率調(diào)節(jié)）信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳輸。
圖3 OPC420光纖轉(zhuǎn)換器套件在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
壓力變送器及PLC的輸出信號(hào)可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA或1mA～500mA、60mV～30V范圍之內(nèi)的任意電流或電壓信號(hào)，變頻器頻率調(diào)節(jié)輸入端子及PLC模擬量測(cè)量端口可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之中的任意一種。
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