两线制压力变送器设计
基于直流载波的高精度两线制变送器设计
基于直流载波的高精度两线制变送器设计作者：王军舰阳威来源：《科教导刊·电子版》2017年第15期摘要本文介绍了基于直流载波的高精度两线制变送器。
先介绍了工业上普遍使用的变送器的接线方法及优缺点，然后提出本设计的方案并对硬件设计进行了详细阐述。
本变送器传感器选择范围宽、成本低、精度高、传输数据稳定、误码率小。
关键词直流载波高精度两线制中图分类号：TH811 文献标识码：A1概述工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度、流量等，通常需要转换成电信号再传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4～20mA电流来传输模拟信号，或用RS485传送数字信号。
电流型变送器将物理量转换成4～20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，如图1 a）接法。
当然，电流输出可以与电源共用一根线（共用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器，如图1 b）接法。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两者之间距离可能数十至数百米。
省去2根导线意味着成本降低，因此在应用中两线制传感器必然是首选。
通常做法如图1 C）接法，变送器和传感器从4～20mA中取电，将其工作电流控制在4mA以下，此处难点在于变送器和传感器工作电流必须限制在4mA以下，很多场合受此限制，传感器精度不高或难以实现。
采用RS485传送数字信号，可以很好的将传感器信号较小误差传送到控制室，因其工作原理决定，必须另外增加2根电源线，如图2接法，不能实现两线制传输信号。
2方案设计有没有一种办法既实现高精度又实现低成本二线制传输呢？答案是肯定的，本文作者设计一种基于直流载波的高精度两线制变送器。
其工作原理如图3所示，变送器将传感器信号统一为数字信号然后调制到直流电源线上，在接收端，再将调制信号解调还原出原始数字信号，在功耗允许条件下多个变送器可以级联，进一步节省成本。
压力变送器接线图
压力变送器接线图1 二线制压力变送器接线图实物---------------------------------------------------------------------------------------------2 二线制压力变送器接线图---------------------------------------------------------------------------------------------3 三线制压力变送器接线图----------------------------------------------------------------------------------------------卸下变送器接线端的旋盖，可以看到如图所示的接线端子。
-----------------------------------------------------------------------------------------------4 四线制压力变送器接线图若选配了现场显示表头，则接线端子在现场显示器的后端，接线时请先将现场显示器卸下（注意要小心，以免将显示器的连线拉断）即可露出如图 1 所示的接线端子。
其中为现场显示表头。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------5 调零和调满的使用压力变送器的安装位置会对变送器的零点输出产生影响，可在变送器安装结束后，对零点输出进行调整，在没有标准压力源的情况下禁止调节满程电位器，否则会严重影响变送器的精度。
---------------------------------------------------------------------------------------------出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
图解压力变送器两线制、三线制、四线制接线方式
图解压力变送器两线制、三线制、四线制接线方式两线制、三线制、四线制压力变送器接线方式首先，我们先看一下它们的定义两线制：两根线及传输电源又传输信号，也就是传感器输出的负载和电源是串联在一起的，电源是从外部引入的，和负载串联在一起来驱动负载。
三线制：三线制传感器就是电源正端和信号输出的正端分离，但它们共用一个COM端。
四线制：电源两根线，信号两根线。
电源和信号是分开工作的。
几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。
这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。
因此先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号（如电压、电流、等）。
但目前，很多变送器采用二线制。
下面，我们就来具体看看不同线制变送器的差异有哪些？不同线制变送器的差异一、两线制要实现两线制变送器，必须要同时满足以下条件：1. V≤Emin-ImaxRLmax变送器的输出端电压V等于规定的低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。
2. I≤Imin变送器的正常工作电流I必须小于或等于变送器的输出电流。
3. P＜Imin(Emin-IminRLmax)变送器的小消耗功率P不能超过上式，通常＜90mW。
式中：Emin=低电源电压，对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%为24V电源允许的负向变化量；Imax=20mA；Imin=4mA；RLmax=250Ω+传输导线电阻。
如果压力变送器在设计上满足了上述的三个条件，就可实现两线制传输。
所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。
两线制变送器由于信号起点电流为4mA DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。
而且两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。
两线制压力变送器原理
两线制压力变送器原理
《两线制压力变送器原理》
嘿，今天咱来聊聊这个两线制压力变送器原理哈。
你知道吗，有一次我去工厂参观，就看到了这些神奇的玩意儿。
当时我就特别好奇，凑过去仔细瞅。
那场景，就好像我在探索一个神秘的小世界一样。
我看着那些压力变送器，就像一个个小卫士，坚守在它们的岗位上。
它们通过两根线，就这么神奇地把压力信号给传递出去啦。
我就琢磨呀，这两根线咋这么厉害呢，就跟有魔法似的。
然后我就问旁边的师傅，师傅就很耐心地给我解释，说这两线制呀，就好比是一条信息高速公路，压力信号就顺着这路快速地跑呀跑，跑到该去的地方。
我一听，哎呀，原来这么回事呀，真有意思！
这两线制压力变送器就像是个聪明的小信使，不管压力怎么变化，它都能准确无误地把消息传递出去。
而且它还特别稳定可靠，一直默默地工作着，可尽职啦。
总之呢，经过那次在工厂的观察体验，我算是对两线制压力变送器原理有了更深刻的认识啦。
以后再看到它们，我肯定会想起那次有趣的经历呢！嘿嘿，这就是我和两线制压力变送器的故事啦。
压力变送器的组成和测量原理图
压力变送器的组成和测量原理图作为一个转换为电信号的测量仪表，图1-2-1是压力变送器有一个基本的工作框图：压力传感器检测到压力后，输出一个电信号，这个信号可以是电压，也可以是频率或脉冲。
信号处理电路会把这个信号放大或者整形，若是智能变送器会把这个信号转换为数字量，进行非线性及温度的补偿，然后再转换为模拟量，送给变送输出部分，变成4～20mA电流信号。
若是非智能变送器，则直接把模拟的电信号送变送输出。
一般的变送器均为2线制仪表，即供电和测量信号的输出使用相同的2根导线。
图1-2-1压力变送器基本工作框图2.3压力传感器压力传感器的作用是将压力的物理信号转换为电信号。
通常使用的压力传感器主要有3类。
2.3.1陶瓷电容传感器以三氧化二铝陶瓷构成，当传感器感受压力后，两导电极板间距离发生变化，引起电容量发生变化。
通过振荡电路可以将这个电容变化转换为电压信号，就可以测量出电容量也就是压力大小。
陶瓷电容压力传感器的特点是热稳定性好，抗过载能力可达量程的百倍以上，没有液体传递压力，无任何填充液，不会产生工艺污染，因此在食品、医药等行业有着广泛的应用，加之是干式陶瓷膜片，也没有安装位置影响。
有的陶瓷压力传感器带有专用调理电路，可直接输出0.5~4.5V的电压信号。
虽然压力传感器的量程范围不同，但是输出信号的幅值都相同。
即0.5V对应传感器测量的最小压力，4.5V对应最大压力，其余中间各点与测量压力成线性关系。
例如，-0.1～１MPa的压力传感器，在压力为0时的理论输出为0.86V。
2.3.2金属电容差压传感器图1-2-2金属电容差压传感器罗斯蒙特公司使用金属电容传感器制成了1151差压变送器，现在国内很多厂家的差压变送器都是参考1151制造的。
金属电容差压传感器的原理是：被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充的硅油传送到测量膜片两侧。
由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
压力变送器规范和标准,
压力变送器规范和标准，1)变送器应为智能型，带HART协议，带就地液晶显示器。
变送器应具有固态电子线路，并为智能化二线制设计，使其供电和信号传输可在同一对线上完成。
2) 变送器的标定量程应使正常工作压力、差压在标定量程刻度的约2/3处，不得选择正常工作压力、差压在变送器最小量程范围内。
最大工作压力的150%的过压、差压而不会影响其性能。
测量负压的变送器应能承受全真空而不会导致损坏。
卖方在技术协议中应提出所配变送器的耐过压、耐差压能力的参数。
3)变送器应易于调零和调整量程，零点迁移：正迁移能达到全量程的100%，负迁移能达到全量程的100%。
应提供整体试验接口，以便于连接电气试验设备。
变送器应提供4~20 mADC信号输出的试验端子，并叠加HART协议，单通讯信号在任何时候都不会影响工艺测量参数和控制系统。
4) 变送器应输出一个与被测变量成比例的电气信号，此信号对0~100%的标定量程应为4~20mADC，同时输出信号上应叠加基于HART协议的数字信号, 与手持便携式组态器双向通迅。
变送器应能在负载阻抗达到560Ω时正常运行。
5)变送器应能通过手持便携式组态终端进行远程编程，变送器上应带有进行零位和量程的调整装置。
便携式终端可不借助于其他手段（如在回路中串入250欧姆电阻），而直接进入变送器进行编辑。
6) 变送器与被测介质接触的浸湿部分的材料应与被测介质相适应，以防止腐蚀或剥落，卖方负责设备选型，如果因卖方选型不当而导致变送器与介质接触部分发生腐蚀等不良情况，卖方应在质保期内免费更换。
7) 变送器接线和端子应按所采用的UL和ANSI标准，所有的端子应有固定标志，以便于识别。
8)变送器外壳应是耐用金属，NEMA4X的结构，并带便于拆卸的密封盖，穿过外壳的电气连接头应不小于φ13mm，不使用的接头应使用不锈钢堵头进行密封的堵塞。
标牌应使用不锈钢材料，标牌上使用的计量单位应为国际制单位，标牌上变送器编号应包括设计位号，清晰易见。
两线制4-20mA变送器的电路设计
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
4-20mA变送器的电路设计
4-20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
1.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
这是两线制变送器的设计根本原则之一。
什么是变送器的二线制和四线制信号传输方式.
什么是变送器的二线制和四线制信号传输方式二线制传输方式中，供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号，目前大多数变送器均为二线制变送器；四线制方式中，供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。
......请看变送器八问八答。
一．什么是两线制电流变送器?什么是两线制?两线制有什么优点?两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。
两线制与三线制(一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND 和四线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND相比，两线制的优点是：1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。
3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制....5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。
6,在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。
三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。
新一代微功耗两线制智能数显压力(差压、温度)开关变送器一体化仪表的研制与应用
第25卷第6期2018年6月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.252018 No.6新一代微功耗两线制智能数显压力（差压、温度）开关变送器一体化仪表的研制与应用吴鹤春，刘玉杰，王小进，吴志雄，金明芳，单文俊，王越，曲广浩(北京麦普兹微电科技有限公司，北京101102)摘要：两线制智能数显压力（差压、温度）开关变送器（简称一体化仪表）的实际应用，从理论到实践验证了微 功耗技术无故障、无漂移的特征，展示了一体化微功耗仪表的完美未来。
关键词：两线制智能数显压力开关变送器；无故障；无漂移D O 1:10. 3969/j. i ssn. 1671 -1041.2018. 06. 008中图分类号：TP23 文献标志码：A文章编号：1671-1041 (2018)06-0031-06Application and Prospect of A New Generation of Micro-Power Two-Wire Intelligent Digital Display Pressure (Differential Pressure, Temperature)Switch Transmitter Integrated InstrumentWu Hechun,Liu Yujie,WangXiaojin,W uZhixiong,Jin Mingfang,Shan Wenjun,Wang Yue,Qu Guanghao (Beijing MYPTS Microelectronic Technology Co.,LTD.,Beijing,101102, China)A b s tra c t:The practical application of two-wire intelligent digital display pressure(differential pressure,temperature)switch transmitter(integrated instrument for short)has proved the characteristics of micro-power technology without fault and drift from theory to practice.It shows the perfect future of integrated micro-power meter.Key w o rd s:two wire passive electronic pressure switch;no fault;no drift〇引言自2007年两线制无源电子式压力开关诞生（工作电流 0.17m A),2012年开始投放市场以来，已经在近百家电 厂、化工厂成功应用，数年来无一故障，定值稳定无漂移 (数年不变），开启了微功耗无故障、无漂移、免维护的 两线制电子压力开关的应用。
基于HART协议的智能压力变送器的设计与实现
2010年 第2期仪表技术与传感器I nstrument Technique and Sens or 2010 No 12 收稿日期:2009-08-20 收修改稿日期:2009-09-03基于HART 协议的智能压力变送器的设计与实现孔祥伟,周杏鹏(东南大学自动化学院,江苏南京 210096) 摘要:在传统压力变送器的基础上,研制了一种基于HART 协议的两线制智能压力变送器。
该压力变送器以低功耗16位嵌入式微处理器MSP430F435为核心,使用硅压阻式压力传感器。
传感器输出微小电压信号经放大调理后送入微处理器内部12位A /D 的测量,HART 协议通信模块由A5191HRT 型HART 调制解调器与AD421电流环数模转换器构成。
整个设计选用低功耗外围扩展器件,最大限度地降低整机功耗。
关键词:HART 协议;压力变送器;智能化;MSP430F435中图分类号:TP216 文献标识码:B 文章编号:1002-1841(2009)00-0015-03D esi gn and I m plem en t a ti on of I n telli gen t PressureTran s m itter Ba sed on HART ProtocolK ONG Xiang 2wei,ZHOU Xing 2peng(School of Auto ma ti on,Southea st Un i versity,Nan ji n g 210096,Ch i n a)Abstract:On the basis of the traditi onal p ressure trans m itter,a t w o 2wire intelligent trans m itter which was based on the HART p r ot ocol and t ook MSP430F435as the central contr oller was designed .The tiny voltage signal out putted by the silicon 2p iezoresistive transducer was a mp lified and then measured by the MSP430F435internal 122bit A /D converter .HART communicati on module was composed of A5191HRT and AD421.Low 2power external devices were chosen t o m ini m ize the power consu mp ti on of the whole sys 2te m.Key words:HART p r ot ocol;p ressure trans m itter;intelligent;M SP430F4350 引言传统的压力变送器仅提供模拟信号4～20mA 电流环输出。
两线制4-20mA变送器的电路设计
两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
4-20mA 变送器 电路 设计
4-20mA 变送器电路设计2009-11-27 10:074-20mA 变送器电路设计1 工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
1.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
两线制V-I变换器设计
两线制V/I变换器设计V/IV/I 变换器变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。
两线制两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。
同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。
附图是两线制V/I变换电路的基本原理图：图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了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，通过Re的电流变大。
相当于整体耗电变大，通过采样电阻Rs的电流也变大，B点电压变低(负更多)。
结果是通过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。
总之，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压=0V。
下面分析Vo对总耗电的控制原理：假设调理电路输出电压为Vo，则流过R1的电流 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，因此所有的电流都流过Rs和R2。
R2上端是虚地(0V)，Rs上端是GND。
因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。
相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。
因此电路总电流： Is=Vo/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，图3中取Rs=100欧，当调理电路输出0.4~2V的时候，总耗电电流4~20mA. 若不能满足R2>>Rs也没关系，Rs与 R2并联(Rs//R2)是个固定值，Is与Vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。
除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。
其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。
二线制变送器的电路设计
二线制变送器的电路设计【摘要】本文通过实际的电路设计，对二线制仪表设计的重点部分，电源设计和电流环电路设计，提供了详尽的解决方案和实用电路设计，通过新型微功耗器件TLC5615/MAX409A的应用，为二线制4-20mA电流环输出电路的设计，提供一种高精度、超低功耗的设计电路。
【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗1.引言二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。
由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。
同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。
同时二线制变送器具有布线简单的特点。
由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。
本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。
2.二线制变送器系统方框图如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V 精密电源，为整个系统供电。
主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。
4051使用心得转)
4051使用心得（转）1、使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。
2、强烈建议A，B，C三路片选端要加上拉电阻。
3、CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。
4、禁止输出端（INH）为高电平时，所有输出切断，所以在应用时此端接地。
作音频信号切换时，最好在输入输出端串入隔直电容。
以前也用过4051，也有很多人在论坛上问4051相关的内容，最关注的就是Vee 的接法：接地还是接－5V还是其他？关于这个问题，一些人说了一些不负责任的话，这也难怪，现在搞设计都是抄来抄去，看到别人怎么用就怎么用，至于为什么从来就很少理会！问题1：Vee的作用到底是什么？答：很简单就是允许模拟通道可以正常通过的信号是Vee－Vdd之间，其他信号不能保证，所以后面的问题也就不算问题了。
问题2：Vee可以接gnd吗？当然可以，只要你的信号传送在0－Vdd，绝对可以。
在这个问题的回答上有很多不负责人的回答。
Vee不但可以接地，也可以接一个正电压，只要你的信号范围在之间就可以。
问题3：别人把Vee接到－5V有什么作用？信号范围可能在－5V－Vdd（通常是5V）之间。
或者为了获得更小的导通电阻（说明：Vdd－Vee越大，模拟通道的导通电阻越小，注意，不是无限大，不要超过18V（mos管的极限参数）；除非必须，不要选择过低的Vee，功耗也会增大的，有利就有弊，权衡一下吧！）好了，就这些了！为什么一般的变送器信号是4~20mA？工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
4到20mA变送器的电路设计
基于两线制的4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
两线制压力变送器设计(4-20mA原理)x.doc
两线制压力变送器设计2008-01-24 14:27分类：字号：小开篇: 认识两线制传感器工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
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两线制压力变送器设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。
这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。
工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。
并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。
上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。
下限没有取0mA的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，必然要有外电源为其供电。
最典型的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，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者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电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。
变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。
显示仪表只需要串在电路中即可。
这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。
工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。
这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。
两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！因此在应用中两线制传感器必然是首选。
2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。
如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。
因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。
这是两线制变送器的设计根本原则之一。
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变换器构成。
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的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。
两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。
除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。
如图，采样电阻Rs串联在电路的低端，所有的电流都将通过Rs流回到电源负极。
从Rs上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。
在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于3.5mA，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。
下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。
3.两线制V/I变换器 V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。
两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。
同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。
附图是两线制V/I变换电路的基本原理图：图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了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，通过Re的电流变大。
相当于整体耗电变大，通过采样电阻Rs的电流也变大，B点电压变低（负更多）。
结果是通过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。
总之，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压＝0V。
下面分析Vo对总耗电的控制原理：假设调理电路输出电压为Vo，则流过R1的电流 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，因此所有的电流都流过Rs和R2。
R2上端是虚地（0V），Rs上端是GND。
因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。
相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。
因此电路总电流： Is=Vo/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，图3中取Rs=100欧，当调理电路输出0.4~2V的时候，总耗电电流4~20mA. 若不能满足R2>>Rs也没关系，Rs与R2并联（Rs//R2）是个固定值，Is与Vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。
除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。
其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。
LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放，耗电400uA/每运放，基本可以接受。
单电源供电时，输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内都能正常工作。
如果换成OP07等精密放大器，因为输入不允许低至0V，在该电路中反而无法工作。
R5和U1构成基准源，产生2.5V稳定的基准电压。
LM385是低成本的微功耗基准，20uA以上即可工作，手册上给出的曲线在100uA附近最平坦，所以通过R5控制电流100uA左右。
OP2构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。
因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。
该部分电路也可以选择现成的集成电路。
比如XTR115/116/105等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更容易设计）。
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，都属于mV级信号。
这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。
一般选用低失调、低温飘的差动放大器。
另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。
AD623是常用的低功耗精密差动放大器，常用在差分输出前级的放大。
AD623失调最大200uV，温飘1uV/度，在一般压力变送应用保证了精度足够。
R0将0.4V叠加在AD623的REF脚（5脚）上，在压力=0情况下通过调整R0使输出4mA，再调整RG输出20.00mA，完成校准。
电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电一般比较大。
适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。
但是输出幅度也随之下降，需要提高AD623的增益。
图6给出的传感器采用恒压供电，实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性，可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。
5.稳定性和安全性的考虑工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。
1．电源保护。
电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。
电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。
如果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。
为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只TVS管来吸收瞬间过压的能量。
一般TVS电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。
如果可能遭受雷击，TVS可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是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。
或者输入量本身很有可能超量程，变送器必须保证任何情况下输出不会无限制上升，否则有可能损坏变送器本身、电源、或者远方显示仪表。
图中Rb和Z1构成了过流保护电路。
无论什么原因导致OP1输出大于6.2V（1N4735是6.2V稳压管），都会被Z1钳位，Q1的基极不可能高于6.2V。
因此Re上电压不可能高于6.2-0.6=5.6V，因此总电流不会大于Ue/Re =5.6V/200=28mA。
3．宽电压适应能力。
一般两线制变送器都能适应大范围的电压变化而不影响精度。
这样可以适用各类电源，同时能够适应大的负载电阻。
对电源最敏感的部分是基准源，同时基准源也是决定精度的主要元件。
3楼图中基准通过R5限流，当电源电压变化时，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，电压大范围变化时，电流基本不变，保证了基准的稳定性。
4．退藕电容一般的电路设计中，每个集成电路的电源端都会有退藕电容。
在两线制变送器上电时，这些电容的充电会在瞬间导致大电流，有可能会损坏远方仪表。
因此每个退藕电容一般不超过10nF，总退藕电容不宜超过50nF。
入口处一个10nF电容是必需的，保证长线感性负载下，电路不震荡。
3.两线制V/I变换器（配图）。