傳感器是任何測(cè)量系統(tǒng)不可或缺的一部分，因?yàn)樗鼈冇兄趯F(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的電子信號(hào)。在工業(yè)環(huán)境中，常用的傳感器類型是模擬傳感器和數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器與 0 和 1 的以下協(xié)議進(jìn)行通信，如 USART、I2C、SPI 等。模擬傳感器可以通過(guò)可變電流或可變電壓進(jìn)行通信。我們中的許多人應(yīng)該熟悉輸出可變電壓的傳感器，如 LDR、MQ 氣體傳感器、Flex 傳感器等。這些模擬電壓傳感器與電壓到電流轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為模擬電流，從而成為可變電流傳感器。

該變電流傳感器遵循4-20mA協(xié)議，即當(dāng)測(cè)量值為0時(shí)傳感器輸出4mA，當(dāng)測(cè)量值為最大值時(shí)輸出20mA。如果傳感器輸出任何小于 4mA 或大于 20mA 的電流，則可以假定為故障狀態(tài)。傳感器通過(guò)雙絞線輸出電流，僅允許電源和數(shù)據(jù)流過(guò) 2 根線。最低或“零”值為 4mA。這是因?yàn)楫?dāng)輸出為零或 4mA 時(shí)，它仍然可以為設(shè)備供電。此外，由于信號(hào)以電流形式傳輸，因此可以遠(yuǎn)距離發(fā)送，而無(wú)需擔(dān)心由于電線電阻引起的電壓降或抗噪性。

在工業(yè)中，傳感器的校準(zhǔn)是一個(gè)常規(guī)過(guò)程，為了校準(zhǔn)系統(tǒng)以及排除錯(cuò)誤結(jié)果，執(zhí)行電流回路測(cè)試。在電流回路測(cè)試中，它使用檢查通信線路中斷的驗(yàn)證過(guò)程。它還檢查變送器輸出電流。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用幾個(gè)組件創(chuàng)建一個(gè)基本的電流回路測(cè)試儀，它允許我們通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器手動(dòng)將電流從 4ma 調(diào)整到 20mA 。該電路可用作模擬程序或調(diào)試的虛擬傳感器。

組件要求

一個(gè)PNP晶體管（使用BC557）

運(yùn)算放大器（使用 JRC4558）

300k電阻

1k電阻

50k 10 圈電位器。

100pF 16V

0.1uF 16V - 2個(gè)

100R電阻-容差5%

LED（任何顏色）

5V電源

面包板

連接線

萬(wàn)用表測(cè)量電流

讓我們看一下這個(gè)項(xiàng)目中使用的重要組件。在下圖中，顯示了 PNP 晶體管，BC557 引腳輸出。

這是最常見的三引腳PNP 晶體管之一。BC557 是一對(duì)相同的 NPN BC547。從左到右，引腳分別是發(fā)射器、基座和收集器。其他等效晶體管有 BC556、BC327、2N3906 等。

這里使用的運(yùn)算放大器（JRC4558） 遵循與其他類型的運(yùn)算放大器相同的引腳圖。引腳 1、引腳 2、引腳 3 用于單個(gè)運(yùn)算放大器，引腳 5、6、7 用于另一個(gè)通道。任何渠道都可以用于這個(gè)項(xiàng)目。第 8 個(gè)引腳是正電源，第 4 個(gè)引腳是 GND。JRC4558D運(yùn)算放大器用于該項(xiàng)目，但其他運(yùn)算放大器也可以工作。比如像——TL072、LM258、LM358等。

零件清單中的第 5 個(gè)組件，50k 10 圈電位器來(lái)自 Bourns。部件號(hào)為 3590S-2-503L。但是，它是一個(gè)有點(diǎn)昂貴的組件。10 轉(zhuǎn)電位器最適合此目的，但其他通用電位器也可以正常工作。不同之處在于，使用通用電位器的分辨率會(huì)更低，因?yàn)?a target="_blank">電流源的增量或減量不會(huì)平滑。在這個(gè)項(xiàng)目中，使用了 Bourns 電位器。與標(biāo)準(zhǔn)電位器引腳排列相比，Bourns 電位器的引腳排列有點(diǎn)混亂。在下圖中，左起第一個(gè)引腳是雨刷引腳。在任何應(yīng)用中連接此電位器時(shí)都需要小心。

電路原理圖

4-20mA 電流回路測(cè)試儀的完整電路圖如下所示。

如您所見，電路非常簡(jiǎn)單，它由一個(gè)驅(qū)動(dòng)晶體管的運(yùn)算放大器組成。晶體管的輸出電流被饋送到 LED，該輸出電流可以通過(guò)改變電位器在 0mA 到 20mA 之間變化，并且可以通過(guò)如上所示連接的電流表測(cè)量。

此處的運(yùn)算放大器旨在用作具有負(fù)反饋的電流源。使用電位器將輸入可變電壓提供給運(yùn)算放大器的非反相引腳。最大輸出電流（在這種情況下為 20mA）通過(guò)使用連接到運(yùn)算放大器反相引腳的電阻器來(lái)設(shè)置。現(xiàn)在基于從電位器提供給非反相引腳的電壓，運(yùn)算放大器將偏置晶體管以通過(guò) LED 提供恒定電流。無(wú)論用作電流源的負(fù)載電阻值如何，都將保持該恒定電流。這種類型的放大器稱為跨導(dǎo)放大器。該電路很簡(jiǎn)單，可以在面包板上輕松構(gòu)建，如下所示。

4-20mA電流回路測(cè)試儀的工作原理

這里的 LED 充當(dāng)負(fù)載，電流環(huán)路電路為負(fù)載提供所需的電流。負(fù)載電流由運(yùn)算放大器 4558 直接控制的 BC557 提供。在放大器的正輸入端，電位計(jì)提供參考電壓。根據(jù)參考電壓，運(yùn)算放大器向晶體管的基極提供偏置電流。電位器兩端添加了額外的串聯(lián)電阻，以限制參考電壓以及放大器的輸出，從而形成 0mA 至 20mA 的邊界。改變這個(gè)電阻值也會(huì)改變最小到最大電流輸出邊界。

電路測(cè)試

構(gòu)建電路后，使用經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的 5V 電源為其供電。我使用了面包板電源，類似于我們之前為電路供電的電路，如下所示。

注意：對(duì)于 300k 的電阻，100k 和 200k 串聯(lián)使用兩個(gè)電阻。

為了測(cè)試電路，我在安培模式下使用了一個(gè)萬(wàn)用表，并連接了它的探針來(lái)代替電路圖中顯示的電流表。如果您是萬(wàn)用表新手，可以查看此萬(wàn)用表使用指南。當(dāng)我改變電位器時(shí)，可以注意到萬(wàn)用表上的電流值在 4mA 到 20mA 之間變化。完整的工作視頻可以在此底部找到。

電流回路測(cè)試儀電路的應(yīng)用

4-20mA電流回路測(cè)試儀的主要應(yīng)用是測(cè)試或校準(zhǔn)接收4-20mA協(xié)議的PLC機(jī)器并根據(jù)它提供數(shù)據(jù)。因此，錯(cuò)誤的校準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致 PLC 感知到的錯(cuò)誤值。不僅校準(zhǔn)，而且它也是一個(gè)方便的過(guò)程來(lái)檢查電流回路破損。

4-20mA電流環(huán)的應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用范圍。例如，水流、閥門位置、石油生產(chǎn)以及生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的相關(guān)傳感器都使用4-20毫安通信線。調(diào)試和查找故障條件是該行業(yè)節(jié)省時(shí)間和金錢的一項(xiàng)重要工作。精確的 4-20 mA 電流回路測(cè)試儀是解決傳感器相關(guān)問(wèn)題的重要工具。

4-20mA 電流回路測(cè)試儀的局限性

該電路有一定的局限性。工業(yè)環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境更加惡劣。因此，該電路應(yīng)由各種保護(hù)電路組成，例如所有輸入和輸出的短路保護(hù)和浪涌保護(hù)，適合在工業(yè)環(huán)境中使用。