mA二线制变送器设计模板

两线制4/20mA变送器电路设计

两线制4/20mA变送器电路设计

工业上普遍需要测量各类非电物理量，比如温度、压力、速度、角度等，全部需

要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号设备称为变送器。工业上最广泛采取是用4~20mA电流来传输模拟量。

采取电流信号原因是不轻易受干扰。而且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回

路中不影响精度，在一般双绞线上能够传输数百米。上限取20mA是因为防爆要求：20mA电流通断引发火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA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4~20mA电流输出，肯定要有外电源为其供电。最经典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，电流输出能够和电源公用一根线（公用VCC或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电流本身就能够为变送器供电，图1C所表示。

根线，所以被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，所以只要在量程范围内，变送器最少有4mA供电。这使得两线制传感器设计成为可能。

在工业应用中，测量点通常在现场，而显示设备或控制设备通常全部在控制室或控制柜上。二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！所以在应用中两线制传感器肯定是首选。

2.两线制变送器结构和原理两线制变送器原理是利用了4~20mA信号为本身提供电能。假如变送器本身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。所以通常要求两线制变送器本身耗电（包含传感器在内全部电路）小于3.5mA。这是两线制变送器设计根本标准之一。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变换器组成。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微弱或非线性电信号进行放大、调理、转化为线性电压输出。两线制V/I变换电路依据信号调理电路输出控制总体耗电电流；同时从环路上取得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I变换电路之外，电路中每个部分全部有其本身耗电电流，两线制变送器关键设计思想是将全部电流全部包含在V/I变换反馈环路内。图，采样电阻Rs串联在电路低端，全部电流全部将经过Rs流回到电源负极。从Rs上取到反馈信号，包含了全部电路耗电。在两线制变送器中，全部电路总功耗不能大于3.5mA，所以电路低功耗成为关键设计难点。下面将逐一分析各个部分电路原理和设计关键点。

3.两线制V/I变换器V/I变换器是一个能够用电压信号控制输出电流电路。两线制V/I变换器和通常V/I变换电路不一样点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路本身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定电压为调

理电路和传感器供电。附图是两线制V/I变换电路基础原理图：图中OP1、Q1、R1、R2、Rs组成了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，经过Re电流变大。相当于整体耗电变大，经过采样电阻Rs电流也变大，B点电压变低（负更多）。结果是经过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。总而言之，负反馈结果是运放OP1虚短，A点电压＝0V。下面分析Vo对总耗电控制原理：假设调理电路输出电压为Vo，则流过R1电流I1=Vo/R1运放输入端不可能吸收电流，
则I1全部流过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，所以全部电流全部流过Rs和R2。R2上端是虚地（0V），Rs上端是GND。所以R2、Rs两端电压完全一样,全部等于VB。相当于Rs和R2并联作为电流采样电阻。所以电路总电流：Is=Vo/(Rs//R2)假如取R2>>Rs，Is=Vo/Rs所以，图3中取Rs=100欧，当调理电路输出0.4~2V时候，总耗电电流4~20mA.若不能满足R2>>Rs也没关系，Rs和R2并联（Rs//R2）是个固定值，Is和Vo仍然是线性关系，误差百分比系数在校按时能够消除。除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：

首先要本身耗电尽可能小，省下电流还要供给调理电路和变送器。其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接收0V输入，并能正常工作。LM358/324是最常见也是价格最低单电源运放，耗电400uA/每运放，基础能够接收。单电源供电时，输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内全部能正常工作。假如换成OP07等精密放大器，因为输入不许可低至0V，在该电路中反而无法工作。

20uAR5和U1组成基准源，产生2.5V稳定基准电压。LM385是低成本微功耗基准，以上即可工作，手册上给出曲线在100uA周围最平坦，所以经过R5控制电流100uA左右。OP2组成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价方案。该部分电路也能够选择现成集成电路。比如XTR115/116/105等，精度和稳定性比自制好，本身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更轻易设计）。但成本比上述方案高10倍以上.

4.两线制压力变送器设计压力桥、称重传感器输出信号微弱，全部属于mV级

信号。这一类小信号通常全部要求用差动放大器对其进行第一级放大。通常选择低

失调、低温飘差动放大器。另外在两线制应用中，低功耗也是必需。AD623是常见

低功耗精密差动放大器，常见在差分输出前级放大。AD623失调最大200uV，温

分半导体压力传感器需要恒流供电才能取得很好温度特征，能够用一个运放组成恒

流源为其提供激励。

5.稳定性和安全性考虑工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，所以两线制

变送器设计上需要考虑一定保护和增强稳定性方法。1．电源保护。电源接反、超

压、浪涌是工业上常见电源问题。电源接反是设备安装接线时最轻易发生错误，输

入口串一只二极管即可预防接反电源时损坏电路。假如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。为预防雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，

变送器入口处能够加装一只TVS管来吸收瞬间过压能量。通常TVS电压值取比运

放极限电压略低，才能起到保护作用。假如可能遭受雷击，TVS可能吸收容量不够，

压敏电阻也是必需，不过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。或输入量本身很有可能超量

程，变送器必需确保任何情况下输出不会无上升，不然有可能损坏变送器本身、

流，当电源电压改变时，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，电压大范围改变时，电流基础不变，确保了基准稳

定性。4．退藕电容通常电路设计中，每个集成电路电源端全部会有退藕电容。在

两线制变送器上电时，这些电容充电会在瞬间造成大电流，有可能会损坏远方仪表。

所以每个退藕电容通常不超出10nF，总退藕电容不宜超出50nF。入口处一个10nF

电容是必需，确保长线感性负载下，电路不震荡。

两线制V/I变送器（配图）