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1、两线制 4/20mA 变送器的电路设计 工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都 需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物 理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用420mA 电流来 传输模拟量。 采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻 串联在回路中不影响精度，在普通双绞 线上可以传输数百米。上 限取 20mA 是因 为防爆的要求：20mA 的电流 通断引起 的火花能量不 足以引燃瓦斯 。下限没有取 0mA 的原因是为 了能检测断线：正常工作时不会低于 4mA ，当传输线因 故障断 路， 环路电流
2、 降为 0。常取 2mA作为断线报警值 。 电流型变送器将物理量转换成420mA 电流输 出，必然要有外电源为 其供 电。 最典型的是变送器需要 两根电源线，加上两根电流输出线， 总共要接 4根线， 称之为四线制变送器。 当然，电流输 出可以与 电源公用一根线（公用 VCC 或者 GND ），可节省一根 线，称 之为三线制变送器。 其实大家可能注意到， 4-20mA 电流本身就可以 为变送器 供电，如图 1C所 示。变送器在电路中 相当于一个特殊 的负载，特殊之处 在于变送器的 耗电电流在 420mA 之间根据 传感器输出而变化。显示仪表只 需要串在电路中 即可。这种变 送器只需外接 2 根线
3、，因而被称为两线制变送器。工业电流 环标准下限 为 4mA ， 因此只要在量程范围内，变送器 至少有 4mA 供电。这使得两线制传感器的设 计成 为可能。 在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或 者控制设备 一般都在控制 室或控制 柜上。两者之间 距离可能数十至数百米。按一百米距离计算 ，省去 2 根导线意味着成本降低 近百元！因此在应用中两线制传 感器必然是首选。 2. 两线制变送器的 结构与原理 两线制变送器的原理是 利用了 420mA 信号为 自 身提供电能。如果变送器 自身耗电大于 4mA ，那么将不可能输出下限 4mA值。因 此一般要求两线制变送器 自身耗电 （包括传感器在内的
4、 全部电路） 不大于 3.5mA 。 这是两线制变送器的设 计根本原则之一。 从整体结构 上来看，两线制变送器 由 三大部分组成：传感器、调理电路、两线制 V/I 变换器 构成。传感器将温度、压 力等物理量转 化为电参量， 调理电路将传 感器输出的微弱或非线性的电信号 进行 放大、调理、转化为线性的电压输 出。两线制 V/I 变换电路 根据信号调理电路的 输出控制总体耗电电流 ；同时从环路上获得电压并 稳压，供调理电路和传感器使 用。 除了 V/I 变换电路 之外，电路中 每个部分都有其自身的耗电电流， 两线制 变送器的 核心设计思想 是将所有的电流都 包括在 V/I 变换的反馈环路内。如 图
5、， 采样电阻 Rs串联在电路的 低端，所有的电流都将 通过 Rs流回到电源 负极。从 Rs上取到的反馈信号， 包含了所有电路的耗电。在 两线制变送器中， 所有的电 路总功耗不能大于 3.5mA，因此电路的低功耗成为主要的设 计难点 。下面将逐一 分析各个部分电路的原理 与设计要点。 3. 两线制 V/I 变换器 V/I 变换器是 一种可以 用电压信号控制输 出电流的电路。 两线制 V/I 变换器 与一般 V/I 变换电路不 同点 在： 电压信号不是 直接控制输 出电 流，而是控制 整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压 为调理电路和传感器供电。 附图是两线制 V/I 变换电
6、路的 基本原理图：图中 OP1 、 Q1 、R1、R2 、Rs构成了 V/I 变换器。 分析负反馈过 程：若 A点因为某种原因 高 于 0V，则运放 OP1输出升高，Re两端电压升高，通过 Re的电流变大。 相当于整 体耗电变大， 通过采样电阻 Rs的电流 也变大， B点电压变低（负 更多）。结果 是通过 R2将 A点电压拉下来。反之，若 A点因某种原因低于 0V，也会被负 反馈 抬高回 0V。总之，负反馈的结果是运放 OP1虚短，A点电压0V。下面分析 Vo 对总耗电的控制原理 ：假设调理电路输 出电压为 Vo， 则流过 R1的电流 I1=Vo/R1 运放输入端不可能吸收电流，则 I1 全部
7、流过 R2，那么 B点电压 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取 R1=R2 时，有 VB=-Vo 电源负和整个便送器电路 之间只有 Rs、R2 两个电阻，因 此所有的电流都流 过 Rs和 R2 。R2上端是虚地（0V），Rs上端是 GND 。因此 R2 、Rs两端电压完全一样, 都等于 VB 。相当于 Rs与 R2 并联作为电 流采样电阻。因此电路总电流： Is=Vo/(Rs/R2) 如果取 R2Rs ，Is=Vo/Rs 因 此，图 3 中取 Rs=100欧，当调理电路输 出 0.42V 的时候，总耗电电流 420mA. 若不能满足 R2Rs 也没关系，Rs与 R2 并联 （Rs
8、/R2）是个固定值，Is 与 Vo 仍然是线性关系，误差比 例系数在校准时可以 消除。 除了电路正确以外，该电 路正常工作还需要 2 个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理 电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工 作，即在没有负 电源情况下，输入 端仍能够接受 0V输入，并能正常工作。 LM358/324 是最常见也是价格最低的单 电源运放，耗电 400uA/每运放 ，基本可以接 受。单电源供电时，输入端从 -0.3VVcc-1.5V 范围内都能 正常工作。如果换成 OP07等精密放大器，因为输 入 不允许低至 0V，在该电路中 反而无法工作。 R5 和 U1构成基准源，产生
9、2.5V 稳定的基准电压。LM385是低成本的微功耗基准，20uA以上即可工作，手册上给 出的曲线在 100uA附近最平坦，所以通 过 R5控制电流 100uA左右。OP2构成一 个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功 耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是 一个廉价的方案。 该部 分电路也可以选择现成的集成电路。 比如 XTR115/116/105等，精度 和稳定性 比 自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更 容易 设计）。但成本比上述方案 高 10 倍以上. 仅供试用。 4. 两线制压力变送器设 计 压力桥、 称重传感器
10、输出信号微弱， 都属于 mV 级信号。 这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。一般选用低失调、 低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。AD623是常用 的低功耗精密差动 放大器， 常用在差分输出前级的放大。 AD623失调最大 200uV ， 温飘 1uV/度，在一般压力变送 应用保证了精度足够。 R0 将 0.4V 叠加在 AD623 的 REF脚（5 脚）上，在压力 =0情况下通过调整 R0使输出 4mA ，再调整 RG输出 20.00mA ，完成校准。 电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个 千欧级 的电 阻，耗电一般比较大。适当降低压力桥的激励电压
11、可以减小耗电电流。但是输出 幅度也随之下降，需要提高 AD623的增益。图 6 给出的传感器采用恒压供电，实 际应用中大部分半导体压力传感器需要 恒流供电才能获得较好的温度特性， 可以 用一个运放构成恒流源为 其提供激励。 5. 稳定性和 安全性的考虑 工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制 变送器的设 计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。 1 电源保护。 电源 接反、超压、浪涌是工业上 常见的电源 问题。电源接反是设备 安装接线时最容易 发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加 一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击 、静电放电、浪
12、 涌等能量 损坏变送器，变送器 入口处可以加 装一只 TVS管来吸收瞬间过压的能 量。一般 TVS电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。如果可能遭受 雷击，TVS可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会 带来一定误差。 2 过流保护。 设备运行过 程中可能有传感器断线、短路等错 误情况 发生。或者输入量本身很有可能超量程，变送器必须保证任何情况下输出 不会无限制上升，否则有可能损坏变送器 本身、电源、或 者远方显示仪表。 图 中 Rb和 Z1构成了过流保护电路。无论什么原因导 致 OP1输出大于 6.2V （1N4735 是 6.2V 稳压管），都会被 Z1钳位，Q
13、1的基极不可能高于 6.2V。因此 Re上电压 不可能高于 6.2-0.6=5.6V ， 因此总电流不 会大于 Ue/Re = 5.6V/200=28mA 。 3 宽 电压适应能力。 一般两线制变送器都能 适应大范围的电压变 化而不影响精度。 这样可以适用各类电源， 同时能够适应大的负载电阻。对电源最敏感的部分是基 准源，同时基准源也是决定精度的主要元件。3 楼图中基准通过 R5限流，当电 源电压变 化时，R5上电流 也随之改变，对基准稳定性影响很大。附图中利用恒 流源 LM334为基准供电，电压大范围变化时，电流基本不变，保证了基准的稳定 性。 4 退藕电容 一般的电路设 计中，每个集成电路的电源 端都会有退藕电容。 在两线制变送器上电 时，这些电容的充电会在瞬间导致大电流，有可能会损坏远 方仪表。因此每个退藕电容一般不超过 10nF，总退藕电容不 宜超过 50nF。入口 处一个 10nF电容是 必需的，保证长线感性负载下 ，电路不 震荡。 两线制 V/I 变送器 （配图）