工業上普遍需要測量各類非電物理量
，例如溫度
、壓力
、速度、角(jiao)度(du)等(deng)
，都(dou)需(xu)要(yao)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)模(mo)擬(ni)量(liang)電(dian)信(xin)號(hao)才(cai)能(neng)傳(chuan)輸(shu)到(dao)幾(ji)百(bai)米(mi)外(wai)的(de)控(kong)製(zhi)室(shi)或(huo)顯(xian)示(shi)設(she)備(bei)上(shang)。這(zhe)種(zhong)將(jiang)物(wu)理(li)量(liang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)設(she)備(bei)稱(cheng)為(wei)變(bian)送(song)器(qi)。工(gong)業(ye)上(shang)最(zui)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)用(yong)4~20mA電流來傳輸模擬量。

　　 采(cai)用(yong)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)不(bu)容(rong)易(yi)受(shou)幹(gan)擾(rao)。並(bing)且(qie)電(dian)流(liu)源(yuan)內(nei)阻(zu)無(wu)窮(qiong)大(da)，導(dao)線(xian)電(dian)阻(zu)串(chuan)聯(lian)在(zai)回(hui)路(lu)中(zhong)不(bu)影(ying)響(xiang)精(jing)度(du)
，在(zai)普(pu)通(tong)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)上(shang)可(ke)以(yi)傳(chuan)輸(shu)數(shu)百(bai)米(mi)。上(shang)限(xian)取(qu)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：正常工作時不會低於4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為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，稱之為四線製變送器。當然
，電流輸出可以與電源公用一根線(公用VCC或者GND)，可節省一根線
，稱之為三線製變送器。

　　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於一個特殊的負載，特殊之處在於變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表隻需要串在電路中即可。這種變送器隻需外接2根線
，因而被稱為兩線製變送器。工業電流環標準下限為4mA，因此隻要在量程範圍內，變送器至少有4mA供電。這使得兩線製傳感器的設計成為可能。

　　在(zai)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)中(zhong)，測(ce)量(liang)點(dian)一(yi)般(ban)在(zai)現(xian)場(chang)，而(er)顯(xian)示(shi)設(she)備(bei)或(huo)者(zhe)控(kong)製(zhi)設(she)備(bei)一(yi)般(ban)都(dou)在(zai)控(kong)製(zhi)室(shi)或(huo)控(kong)製(zhi)櫃(gui)上(shang)。兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)距(ju)離(li)可(ke)能(neng)數(shu)十(shi)至(zhi)數(shu)百(bai)米(mi)。按(an)一(yi)百(bai)米(mi)距(ju)離(li)計(ji)算(suan)
，省(sheng)去(qu)2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩線製傳感器必然是首選。

　　2.兩線製變送器的結構與原理兩線製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於4mA，那麼將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線製變送器自身耗電(包括傳感器在內的全部電路)不大於3.5mA。這是兩線製變送器的設計根本原則之一。從整體結構上來看
，兩線製變送器由三大部分組成：傳感器、調理電路、兩線製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性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出。兩線製V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控製總體耗電電流；同時從環路上獲得電壓並穩壓，供調理電路和傳感器使用。除了V/I變換電路之外
，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線製變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環路內。如圖，采樣電阻Rs串聯在電路的低端，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。在兩線製變送器中，所有的電路總功耗不能大於3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設計難點。下麵將逐一分析各個部分電路的原理與設計要點。

　　3.兩線製V/I變換器 V/I 變換器是一種可以用電壓信號控製輸出電流的電路。兩線製V/I變換器與一般V/I變換電路不同點在：電dian壓ya信xin號hao不bu是shi直zhi接jie控kong製zhi輸shu出chu電dian流liu，而er是shi控kong製zhi整zheng個ge電dian路lu自zi身shen耗hao電dian電dian流liu。同tong時shi，還hai要yao從cong電dian流liu環huan路lu上shang提ti取qu穩wen定ding的de電dian壓ya為wei調tiao理li電dian路lu和he傳chuan感gan器qi供gong電dian。附fu圖tu是shi兩liang線xian製zhiV/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。分析負反饋過程：若A點因為某種原因高於0V，則運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大。相當於整體耗電變大



，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點電壓變低(負更多)。結果是通過R2將A點電壓拉下來。反之
，若A點因某種原因低於0V，也會被負反饋抬高回0V。總之，負反饋的結果是運放OP1虛短，A點電壓＝0V。下麵分析Vo對總耗電的控製原理：假設調理電路輸出電壓為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，那麼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隻有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,都等於VB 。相當於Rs與 R2並聯作為電流采樣電阻。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也沒關係，Rs與 R2並聯(Rs//R2)是個固定值
，Is與Vo仍然是線性關係，誤差比例係數在校準時可以消除。除了電路正確以外，該電路正常工作還需要2個條件：shouxianyaozishenhaodianjinliangxiao，shengxiadedianliuhaiyaogonggeitiaolidianluyijibiansongqi。qiciyaoqiuyunfangnenggoudandianyuangongzuo，jizaimeiyoufudianyuanqingkuangxia，shuruduanrengnenggoujieshou0V輸入
，並能正常工作。 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範圍內都能正常工作。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構成基準源，產生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，手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦
，所以通過R5控製電流100uA左右。OP2構成一個同向放大器，將基準放大
，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廉價的方案。該部分電路也可以選擇現成的集成電路。比如XTR115/116/105等，精度和穩定性比自製的好
，自身功耗也更低(意味著能留更多電流給調理電路，調理部分更容易設計)。但成本比上述方案高10倍以上.

　　4.兩線製壓力變送器設計壓力橋
、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬於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、低溫飄的差動放大器。另外在兩線製應用中
，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失調最大200uV
，溫飄1uV/度
，在一般壓力變送應用保證了精度足夠。 R0將0.4V疊加在AD623的REF腳(5腳)上，在壓力=0情況下通過調整R0使輸出4mA，再調整RG輸出20.00mA
，wanchengxiaozhun。dianlushejishixuzhuyi，yaliqiaochuanganqixiangdangyuyigeqianoujidedianzu
，haodianyibanbijiaoda。shidangjiangdiyaliqiaodejilidianyakeyijianxiaohaodiandianliu。danshishuchufuduyesuizhixiajiang，xuyaotigaoAD623的增益。圖6geichudechuanganqicaiyonghengyagongdian
，shijiyingyongzhongdabufenbandaotiyalichuanganqixuyaohengliugongdiancainenghuodejiaohaodewendutexing，keyiyongyigeyunfanggouchenghengliuyuanweiqitigongjili。

　　5.穩定性和安全性的考慮工業環境下環境惡劣且對可靠性要求高
，因此兩線製變送器的設計上需要考慮一定的保護和增強穩定性措施。 1．電源保護。電源接反、超壓、浪(lang)湧(yong)是(shi)工(gong)業(ye)上(shang)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)源(yuan)問(wen)題(ti)。電(dian)源(yuan)接(jie)反(fan)是(shi)設(she)備(bei)安(an)裝(zhuang)接(jie)線(xian)時(shi)最(zui)容(rong)易(yi)發(fa)生(sheng)的(de)錯(cuo)誤(wu)
，輸(shu)入(ru)口(kou)串(chuan)一(yi)隻(zhi)二(er)極(ji)管(guan)即(ji)可(ke)防(fang)止(zhi)接(jie)反(fan)電(dian)源(yuan)時(shi)損(sun)壞(huai)電(dian)路(lu)。如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)端(duan)加(jia)一(yi)個(ge)全(quan)橋(qiao)整(zheng)流(liu)器(qi)，那(na)麼(me)即(ji)使(shi)電(dian)源(yuan)接(jie)反(fan)仍(reng)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。為(wei)防(fang)止(zhi)雷(lei)擊(ji)
、靜電放電、浪湧等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一隻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。設備運行過程中可能有傳感器斷線
、短路等錯誤情況發生。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製上升，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構成了過流保護電路。無論什麼原因導致OP1輸出大於6.2V(1N4735是6.2V穩壓管)，都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高於6.2V。因此Re上電壓不可能高於6.2-0.6=5.6V
，因此總電流不會大於Ue/Re = 5.6V/200=28mA。 3．寬kuan電dian壓ya適shi應ying能neng力li。一yi般ban兩liang線xian製zhi變bian送song器qi都dou能neng適shi應ying大da範fan圍wei的de電dian壓ya變bian化hua而er不bu影ying響xiang精jing度du。這zhe樣yang可ke以yi適shi用yong各ge類lei電dian源yuan，同tong時shi能neng夠gou適shi應ying大da的de負fu載zai電dian阻zu。對dui電dian源yuan最zui敏min感gan的de部bu分fen是shi基ji準zhun源yuan
，同tong時shi基ji準zhun源yuan也ye是shi決jue定ding精jing度du的de主zhu要yao元yuan件jian。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，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準供電，電壓大範圍變化時
，電流基本不變，保證了基準的穩定性。 4．tuioudianrongyibandedianlushejizhong
，meigejichengdianludedianyuanduandouhuiyoutuioudianrong。zailiangxianzhibiansongqishangdianshi
，zhexiedianrongdechongdianhuizaishunjiandaozhidadianliu
，youkenenghuisunhuaiyuanfangyibiao。yincimeigetuioudianrongyibanbuchaoguo10nF
，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。