基于兩線制的4/20mA變送器的電路設(shè)計(jì)

工業(yè)上普遍需要測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)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?yàn)榉辣囊螅?0mA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(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)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(dāng)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(shí)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(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)成為可能。

在工業(yè)應(yīng)用中，測(cè)量點(diǎn)一般在現(xiàn)場(chǎng)，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(jì)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(hào)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(jì)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(hào)進(jìn)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(hào)調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時(shí)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(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)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(fù)極。從Rs上取到的反饋信號(hào)，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(jì)難點(diǎn)。下面將逐一分析各個(gè)部分電路的原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

兩線制V/I變換器 V/I 變換器是一種可以用電壓信號(hào)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(diǎn)在：電壓信號(hào)不是直接控制輸出電流，而是控制整個(gè)電路自身耗電電流。同時(shí)，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(fù)反饋過程：若A點(diǎn)因?yàn)槟撤N原因高于0V，則運(yùn)放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點(diǎn)電壓變低（負(fù)更多）。結(jié)果是通過R2將A點(diǎn)電壓拉下來。反之，若A點(diǎn)因某種原因低于0V，也會(huì)被負(fù)反饋抬高回0V?？傊?fù)反饋的結(jié)果是運(yùn)放OP1虛短，A點(diǎn)電壓＝0V。下面分析Vo對(duì)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(yùn)放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點(diǎn)電壓 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取R1=R2時(shí)，有VB=-Vo 電源負(fù)和整個(gè)便送器電路之間只有Rs、R2兩個(gè)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(dāng)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(dāng)調(diào)理電路輸出0.4~2V的時(shí)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(gè)固定值，Is與Vo仍然是線性關(guān)系，誤差比例系數(shù)在校準(zhǔn)時(shí)可以消除。 除了電路正確以外，該電路正常工作還需要2個(gè)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(yùn)放能夠單電源工作，即在沒有負(fù)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(jià)格最低的單電源運(yùn)放，耗電400uA/每運(yùn)放，基本可以接受。單電源供電時(shí)，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?yàn)檩斎氩辉试S低至0V，在該電路中反而無法工作。 R5和U1構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。LM385是低成本的微功耗基準(zhǔn)，20uA以上即可工作，手冊(cè)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(gè)同向放大器，將基準(zhǔn)放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。因?yàn)閷捿斎腚妷?、低功耗的穩(wěn)壓器稀少，成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個(gè)廉價(jià)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(jì)）。但成本比上述方案高10倍以上.

兩線制壓力變送器設(shè)計(jì) 壓力橋、稱重傳感器輸出信號(hào)微弱，都屬于mV級(jí)信號(hào)。這一類小信號(hào)一般都要求用差動(dòng)放大器對(duì)其進(jìn)行第一級(jí)放大。一般選用低失調(diào)、低溫飄的差動(dòng)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(dòng)放大器，常用在差分輸出前級(jí)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(zhǔn)。 電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意，壓力橋傳感器相當(dāng)于一個(gè)千歐級(jí)的電阻，耗電一般比較大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵(lì)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(shí)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(gè)運(yùn)放構(gòu)成恒流源為其提供激勵(lì)。

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(duì)可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計(jì)上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。 1．電源保護(hù)。 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(shí)最容易發(fā)生的錯(cuò)誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時(shí)損壞電路。如果輸入端加一個(gè)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(yùn)放極限電壓略低，才能起到保護(hù)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(huì)帶來一定誤差。 2．過流保護(hù)。 設(shè)備運(yùn)行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯(cuò)誤情況發(fā)生?；蛘咻斎肓勘旧砗苡锌赡艹砍蹋兯推鞅仨毐ＷC任何情況下輸出不會(huì)無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠(yuǎn)方顯示儀表。 圖中Rb和Z1構(gòu)成了過流保護(hù)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(huì)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(huì)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(shí)能夠適應(yīng)大的負(fù)載電阻。對(duì)電源最敏感的部分是基準(zhǔn)源，同時(shí)基準(zhǔn)源也是決定精度的主要元件。3樓圖中基準(zhǔn)通過R5限流，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，R5上電流也隨之改變，對(duì)基準(zhǔn)穩(wěn)定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準(zhǔn)供電，電壓大范圍變化時(shí)，電流基本不變，保證了基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。 4．退藕電容 一般的電路設(shè)計(jì)中，每個(gè)集成電路的電源端都會(huì)有退藕電容。在兩線制變送器上電時(shí)，這些電容的充電會(huì)在瞬間導(dǎo)致大電流，有可能會(huì)損壞遠(yuǎn)方儀表。因此每個(gè)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(gè)10nF電容是必需的，保證長線感性負(fù)載下，電路不震蕩。

兩線制V/I變送器（配圖）