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案例頻道 摘 要：由于工業(yè)上對低耗能和遠距離傳輸的要求越來(lái)越高，兩線(xiàn)制儀表的應用也越來(lái)越廣。本文通過(guò)比較說(shuō)明了兩線(xiàn)制變送器的優(yōu)點(diǎn)，并介紹了兩線(xiàn)制變送器的結構，詳細分析了其工作原理。在此基礎上設計了由壓力橋、調理電路和兩線(xiàn)制V/I變換電路構成的兩線(xiàn)制壓力變送器，并對如何增強穩定性和安全性做了討論。
關(guān)鍵詞：兩線(xiàn)制變送器；V/I變換電路；調理電路；傳感器
1 概述
工業(yè)上普遍需要測量各類(lèi)非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱(chēng)為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來(lái)傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無(wú)窮大，導線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數百米。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(méi)有取0mA的原因是為了能檢測斷線(xiàn)：正常工作時(shí)不會(huì )低于4mA，當傳輸線(xiàn)因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線(xiàn)報警值。
電流型變送器將物理量轉換成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(xiàn)，加上兩根電流輸出線(xiàn)，總共要接4根線(xiàn)，稱(chēng)之為四線(xiàn)制變送器，如圖1（a）所示。當然，電流輸出可以與電源共用一根線(xiàn)（共用Vcc或者GND），可節省一根線(xiàn)，稱(chēng)之為三線(xiàn)制變送器，如圖1（b）所示。
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1（c）所示。變送器在電路中相當于一個(gè)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(xiàn)，因而被稱(chēng)為兩線(xiàn)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，變送器至少有4mA供電。這使得兩線(xiàn)制傳感器的設計成為可能。
在工業(yè)應用中，測量點(diǎn)一般在現場(chǎng)，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算，省去2根導線(xiàn)意味著(zhù)成本降低近百元！因此在應用中兩線(xiàn)制傳感器必然是首選。
a 四線(xiàn)制變送器 b 三線(xiàn)制變送器 c 兩線(xiàn)制變送器
圖1 變送器原理圖
圖1 變送器原理圖
2 兩線(xiàn)制變送器的結構與原理
兩線(xiàn)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(xiàn)制變送器自身耗電（包括傳感器在內的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線(xiàn)制變送器的設計根本原則之一。
從整體結構上來(lái)看，兩線(xiàn)制變送器由三大部分組成：傳感器、調理電路、兩線(xiàn)制V/I變換器構成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉化為電參量；調理電路將傳感器輸出的微弱或非線(xiàn)性的電信號進(jìn)行放大、調理、轉化為線(xiàn)性的電壓輸出；兩線(xiàn)制V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流，同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩壓，供調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(xiàn)制變送器的核心設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。如圖2所示，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過(guò)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(xiàn)制變送器中，所有的電路總電流不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設計難點(diǎn)。下面將逐一分析各個(gè)部分電路的原理與設計要點(diǎn)。
圖2 兩線(xiàn)制變送器結構圖
3 兩線(xiàn)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(xiàn)制V/I變換器的電壓信號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)路上提取穩定的電壓為調理電路和傳感器供電。圖3是兩線(xiàn)制V/I變換電路的基本原理圖：圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構成了V/I變換器。分析工作過(guò)程：若A點(diǎn)因為某種原因高于0V，使運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過(guò)Re的電流變大，相當于整個(gè)電路耗能增大，則通過(guò)采樣電阻Rs的電流變大，B點(diǎn)電壓減小。結果是通過(guò)R2將A點(diǎn)電壓拉低。反之，若A點(diǎn)因某種原因低于0V，也會(huì )被抬高回0V?？傊鞘惯\放OP1同相輸入端A虛地。
下面分析Vo的控制原理：假設調理電路輸出電壓為Vo，則流過(guò)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(guò)R2，那么B點(diǎn)電壓 VB=－I1×R2=－Vo×R2/R1。取R1=R2時(shí)，有VB=－Vo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 。取Rs=100Ω，當調理電路輸出0.4~2V的時(shí)候，總耗電電流4~20mA。另外電路自身耗電盡量小，并且要求運放能夠單電源工作，LM358/324是最常見(jiàn)也是價(jià)格最低的單電源運放，耗電400uA，基本可以接受。單電源供電時(shí)，輸入端從－0.3V~－1.5V范圍內都能正常工作。R5和U1構成基準源，產(chǎn)生2.5V穩定的基準電壓。
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(xiàn)在100uA附近最平坦，所以通過(guò)R5控制電流100uA左右。OP2構成一個(gè)同相放大器，將基準電壓放大，向調理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩壓器稀少，成本高；將基準放大作為穩壓電源是一個(gè)廉價(jià)的方案。該部分電路也可以選擇現成的集成電路，比如XTR115/116/105等，精度和穩定性比自制的好，自身功耗也更低，但成本較高。
圖3 兩線(xiàn)制V/I變換電路原理圖
4 兩線(xiàn)制壓力變送器設計
壓力橋、稱(chēng)重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號。這一類(lèi)小信號一般都要求用差動(dòng)放大器對其進(jìn)行第一級放大。一般選用低失調、低溫漂的差動(dòng)放大器。另外在兩線(xiàn)制應用中，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的放大。 AD623失調最大200μV，溫漂1μV/度，為一般壓力變送應用保證了足夠的精度。R0將0.4V疊加在A(yíng)D623的REF腳（5腳）上，在壓力F=0情況下通過(guò)調整R0使輸出4mA，再調整RG輸出20.00mA，完成校準。 電路設計時(shí)需注意，壓力橋傳感器相當于一個(gè)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4給出的傳感器采用恒壓供電，實(shí)際應用中大部分半導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)運放構成恒流源為其提供激勵。
圖4 兩線(xiàn)制壓力變送器調理電路原理圖
5 穩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(xiàn)制變送器的設計上需要考慮一定的保護和增強穩定性措施。
a 電源保護
電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見(jiàn)的電源問(wèn)題。電源接反是設備安裝接線(xiàn)時(shí)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(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(lái)吸收瞬間過(guò)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(huì )帶來(lái)一定誤差。
b 過(guò)流保護
設備運行過(guò)程中可能有傳感器斷線(xiàn)、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(huì )無(wú)限制上升。否則有可能損壞變送器本身、電源、或遠方顯示儀表。 圖5中Rb和Z1構成了過(guò)流保護電路。無(wú)論什么原因導致OP1輸出大于6.2V（1N4735是6.2V穩壓管），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。
圖5 有過(guò)流保護的兩線(xiàn)制V/I變換電路
c 寬電壓適應能力
一般兩線(xiàn)制變送器都能適應大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類(lèi)電源，同時(shí)能夠適應大的負載電阻。對電源最敏感的部分是基準源，同時(shí)基準源也是決定精度的主要元件。圖3中基準通過(guò)R5限流，當電源電壓變化時(shí)，R5上電流也隨之改變，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準供電，電壓大范圍變化時(shí)，電流基本不變，保證了基準的穩定性。
d 退藕電容
一般的電路設計中，每個(gè)集成電路的電源端都會(huì )有退藕電容。在兩線(xiàn)制變送器上電時(shí)，這些電容的充電會(huì )在瞬間導致大電流，有可能會(huì )損壞遠方儀表。因此每個(gè)退藕電容一般不超過(guò)10nF，總退藕電容不宜超過(guò)50nF。入口處一個(gè)10nF電容是必需的，保證長(cháng)線(xiàn)感性負載下，電路不震蕩。
參考文獻
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