基于兩線制的4/20mA變送器的電路設(shè)計

工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。

采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。

其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1C所示。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計成為可能。

在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去2根導(dǎo)線意味著成本降低近百元！因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。

兩線制變送器的結(jié)構(gòu)與原理 兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設(shè)計根本原則之一。 從整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。 除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設(shè)計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設(shè)計要點。

兩線制V/I變換器 V/I 變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制V/I變換器與一般V/I變換電路不同點在：電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控制整個電路自身耗電電流。同時，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路和傳感器供電。附圖是兩線制V/I變換電路的基本原理圖： 圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成了V/I變換器。分析負反饋過程：若A點因為某種原因高于0V，則運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點電壓變低（負更多）。結(jié)果是通過R2將A點電壓拉下來。反之，若A點因某種原因低于0V，也會被負反饋抬高回0V?？傊?，負反饋的結(jié)果是運放OP1虛短，A點電壓＝0V。下面分析Vo對總耗電的控制原理： 假設(shè)調(diào)理電路輸出電壓為Vo，則流過R1的電流 I1=Vo/R1 運放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點電壓 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取R1=R2時，有VB=-Vo 電源負和整個便送器電路之間只有Rs、R2兩個電阻，因此所有的電流都流過Rs和R2。R2上端是虛地（0V），Rs上端是GND。因此R2、Rs兩端電壓完全一樣,都等于VB 。相當于Rs與 R2并聯(lián)作為電流采樣電阻。因此電路總電流： Is=Vo/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，圖3中取Rs=100歐，當調(diào)理電路輸出0.4~2V的時候，總耗電電流4~20mA. 若不能滿足R2>>Rs也沒關(guān)系，Rs與 R2并聯(lián)（Rs//R2）是個固定值，Is與Vo仍然是線性關(guān)系，誤差比例系數(shù)在校準時可以消除。 除了電路正確以外，該電路正常工作還需要2個條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流還要供給調(diào)理電路以及變送器。其次要求運放能夠單電源工作，即在沒有負電源情況下，輸入端仍能夠接受0V輸入，并能正常工作。 LM358/324是最常見也是價格最低的單電源運放，耗電400uA/每運放，基本可以接受。單電源供電時，輸入端從-0.3V~Vcc-1.5V范圍內(nèi)都能正常工作。如果換成OP07等精密放大器，因為輸入不允許低至0V，在該電路中反而無法工作。 R5和U1構(gòu)成基準源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準電壓。LM385是低成本的微功耗基準，20uA以上即可工作，手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦，所以通過R5控制電流100uA左右。OP2構(gòu)成一個同向放大器，將基準放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩(wěn)壓器稀少，成本高；將基準放大作為穩(wěn)壓電源是一個廉價的方案。 該部分電路也可以選擇現(xiàn)成的集成電路。比如XTR115/116/105等，精度和穩(wěn)定性比自制的好，自身功耗也更低（意味著能留更多電流給調(diào)理電路，調(diào)理部分更容易設(shè)計）。但成本比上述方案高10倍以上.

兩線制壓力變送器設(shè)計 壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進行第一級放大。一般選用低失調(diào)、低溫飄的差動放大器。另外在兩線制應(yīng)用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。 AD623失調(diào)最大200uV，溫飄1uV/度，在一般壓力變送應(yīng)用保證了精度足夠。 R0將0.4V疊加在AD623的REF腳（5腳）上，在壓力=0情況下通過調(diào)整R0使輸出4mA，再調(diào)整RG輸出20.00mA，完成校準。 電路設(shè)計時需注意，壓力橋傳感器相當于一個千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖6給出的傳感器采用恒壓供電，實際應(yīng)用中大部分半導(dǎo)體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個運放構(gòu)成恒流源為其提供激勵。

穩(wěn)定性和安全性的考慮 工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計上需要考慮一定的保護和增強穩(wěn)定性措施。 1．電源保護。 電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題。電源接反是設(shè)備安裝接線時最容易發(fā)生的錯誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運放極限電壓略低，才能起到保護作用。如果可能遭受雷擊，TVS可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差。 2．過流保護。 設(shè)備運行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯誤情況發(fā)生。或者輸入量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠方顯示儀表。 圖中Rb和Z1構(gòu)成了過流保護電路。無論什么原因?qū)е翺P1輸出大于6.2V（1N4735是6.2V穩(wěn)壓管），都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高于6.2V。因此Re上電壓不可能高于6.2-0.6=5.6V，因此總電流不會大于Ue/Re = 5.6V/200=28mA。 3．寬電壓適應(yīng)能力。 一般兩線制變送器都能適應(yīng)大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時能夠適應(yīng)大的負載電阻。對電源最敏感的部分是基準源，同時基準源也是決定精度的主要元件。3樓圖中基準通過R5限流，當電源電壓變化時，R5上電流也隨之改變，對基準穩(wěn)定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準供電，電壓大范圍變化時，電流基本不變，保證了基準的穩(wěn)定性。 4．退藕電容 一般的電路設(shè)計中，每個集成電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時，這些電容的充電會在瞬間導(dǎo)致大電流，有可能會損壞遠方儀表。因此每個退藕電容一般不超過10nF，總退藕電容不宜超過50nF。入口處一個10nF電容是必需的，保證長線感性負載下，電路不震蕩。

兩線制V/I變送器（配圖）