兩線制4/20mA變送器的電路設(shè)計(jì)

3. 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(guò)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(guò) Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過(guò)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(guò)R2將A點(diǎn)電壓拉下來(lái)。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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(méi)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(jiàn)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(wú)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(guò)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)閷捿斎腚妷骸⒌凸牡姆€(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.

4. 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(guò)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)。