工業(ye) 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，都需要轉換成模擬量電信號才能傳(chuan) 輸到幾百米外的控製室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為(wei) 變送器。工業(ye) 上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳(chuan) 輸模擬量。

采用電流信號的原因是不容易受幹擾。並且電流源內(nei) 阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳(chuan) 輸數百米。上限取20ma是因為(wei) 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(wei) 了能檢測斷線：正常工作時不會(hui) 低於(yu) 4mA，當傳(chuan) 輸線因故障斷路，環路電流降為(wei) 0。常取2mA作為(wei) 斷線報警值。

電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外為(wei) 其供電。最典型的是變送器需要兩(liang) 根電源線，加上兩(liang) 根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為(wei) 四線製變送器。當然，電流輸出可以與(yu) 電源公用一根線（公用vcc或者gnd），可節省一根線，稱之為(wei) 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(wei) 變送器供電，如圖1c所示。變送器在電路中相當於(yu) 一個(ge) 特殊的負載，特殊之處在於(yu) 變送器的耗電電流在4~20ma之間根據輸出而變化。顯示儀(yi) 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(wei) 兩(liang) 線製變送器。工業(ye) 電流環標準下限為(wei) 4ma，因此隻要在量程範圍內(nei) ，變送器至少有4ma供電。這使得兩(liang) 線製傳(chuan) 感器的設計成為(wei) 可能。

在工業(ye) 應用中，測量點一般在現場，而顯示設備或者控製設備一般都在控製室或控製櫃上。兩(liang) 者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算，省去2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩(liang) 線製傳(chuan) 感器必然是首選。

2.兩(liang) 線製變送器的結構與(yu) 原理 兩(liang) 線製變送器的原理是利用了4~20mA信號為(wei) 自身提供電能。如果變送器自身耗電大於(yu) 4ma，那麽(me) 將不可能輸出下限4ma值。因此一般要求兩(liang) 線製變送器自身耗電（包括傳(chuan) 感器在內(nei) 的全部電路）不大於(yu) 3.5mA。這是兩(liang) 線製變送器的設計根本原則之一。 從(cong) 整體(ti) 結構上來看，兩(liang) 線製變送器由三大部分組成：傳(chuan) 感器、調理電路、兩(liang) 線製v/i變換器構成。傳(chuan) 感器將溫度、壓力等物理量轉化為(wei) 電參量，調理電路將傳(chuan) 感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為(wei) 線性的電壓輸出。兩(liang) 線製v/i變換電路根據信號調理電路的輸出控製總體(ti) 耗電電流；同時從(cong) 環路上獲得電壓並穩壓，供調理電路和傳(chuan) 感器使用。 除了v/i變換電路之外，電路中每個(ge) 部分都有其自身的耗電電流，兩(liang) 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(nei) 。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(cong) rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩(liang) 線製變送器中，所有的電路總功耗不能大於(yu) 3.5mA，因此電路的低功耗成為(wei) 主要的設計難點。下麵將逐一分析各個(ge) 部分電路的原理與(yu) 設計要點。

3.兩(liang) 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(liang) 線製v/i變換器與(yu) 一般v/i變換電路不同點在：電壓信號不是直接控製輸出電流，而是控製整個(ge) 電路自身耗電電流。同時，還要從(cong) 電流環路上提取穩定的電壓為(wei) 調理電路和傳(chuan) 感器供電。附圖是兩(liang) 線製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。分析負反饋過程：若a點因為(wei) 某種原因高於(yu) 0v，則運放op1輸出升高，re兩(liang) 端電壓升高，通過re的電流變大。相當於(yu) 整體(ti) 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(yu) 0v，也會(hui) 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(wei) 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，那麽(me) b點電壓 vb= -i1*r2 = -vo*r2/r1 取r1=r2時，有vb=-vo 電源負和整個(ge) 便送器電路之間隻有rs、r2兩(liang) 個(ge) 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(liang) 端電壓完全一樣,都等於(yu) vb 。相當於(yu) rs與(yu) r2並聯作為(wei) 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(guan) 係，rs與(yu) r2並聯（rs//r2）是個(ge) 固定值，is與(yu) vo仍然是線性關(guan) 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(ge) 條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流還要供給調理電路以及變送器。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，並能正常工作。 lm358/324是最常見也是價(jia) 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(cong) -0.3v~vcc-1.5v範圍內(nei) 都能正常工作。如果換成op07等精密放大器，因為(wei) 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(chan) 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(ce) 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(ge) 同向放大器，將基準放大，向調理電路及傳(chuan) 感器供電。因為(wei) 寬輸入電壓、低功耗的穩壓器稀少，成本高；將基準放大作為(wei) 穩壓電源是一個(ge) 廉價(jia) 的方案。 該部分電路也可以選擇現成的。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(liang) 線製壓力變送器設計 壓力橋、稱重傳(chuan) 感器輸出信號微弱，都屬於(yu) 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(liang) 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，完成校準。 電路設計時需注意，壓力橋傳(chuan) 感器相當於(yu) 一個(ge) 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(chuan) 感器采用恒壓供電，實際應用中大部分半導體(ti) 壓力傳(chuan) 感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個(ge) 運放構成恒流源為(wei) 其提供激勵。

5.穩定性和安全性的考慮 工業(ye) 環境下環境惡劣且對可靠性要求高，因此兩(liang) 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、浪湧是工業(ye) 上常見的電源問題。電源接反是設備安裝接線時最容易發生的錯誤，輸入口串一隻即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個(ge) 全橋整流器，那麽(me) 即使電源接反仍能正常工作。為(wei) 防止雷擊、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(hui) 帶來一定誤差。 2．過流保護。 設備運行過程中可能有傳(chuan) 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(hui) 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(yi) 表。 圖中rb和z1構成了過流保護電路。無論什麽(me) 原因導致op1輸出大於(yu) 6.2v（1n4735是6.2v穩壓管），都會(hui) 被z1鉗位，q1的基極不可能高於(yu) 6.2v。因此re上電壓不可能高於(yu) 6.2-0.6=5.6v，因此總電流不會(hui) 大於(yu) ue/re = 5.6v/200=28mA。 3．寬電壓適應能力。 一般兩(liang) 線製變送器都能適應大範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(jue) 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，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恒流源lm334為(wei) 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．退藕一般的電路設計中，每個(ge) 集成電路的電源端都會(hui) 有退藕電容。在兩(liang) 線製變送器上電時，這些電容的充電會(hui) 在瞬間導致大電流，有可能會(hui) 損壞遠方儀(yi) 表。因此每個(ge) 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(ge) 10nf電容是必需的，保證長線感性負載下，電路不震蕩。

兩(liang) 線製v/i變送器（配圖）