二线制交流电流变送器的设计

　　1.二线制交流电流变送器的综述

　　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，在普通双绞线上可以传输数百米。又因为在工业应用中，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变送器必然是。因此研究二线制电流变送器对工业生产，人们的日常生活都显得异常重要。

　　2.二线制变送器的特点及参数

　　2.1二线制交流电流变送器主要特点：

　　2.1.1二线制仪表现场不需要工作电源，利用指示仪表或DCS系统提供电源。

　　2.1.2输入与输出完全隔离。

　　2.1.3输出信号采用极性保护措施，极性正确时，指示灯亮，仪表工作；极性错误时，指示灯灭，仪表不工作。

　　2.1.4仪表本身无发热源，彻底解决了高温环境下普通变送器因内部发热而引发的输出信号丢失的普遍现象。

　　2.2二线制交流电流变送器的主要技术参数：

　　2.2.1输入信号：0~5A AC.

　　2.2.2输出信号：420mA DC（二线制传输）。

　　2.2.3输出负载电阻：0~500

　　2.2.4：0.5%.

　　2.2.5温度系数：≤150ppm/℃。

　　2.2.6工作温度：-10℃~+70℃。

　　2.2.7隔离：输入与输出隔离。

　　2.2.8绝缘电阻：〉200M（500V DC）。

　　2.2.9绝缘强度：〉1000V/1分钟。

　　2.2.10供电电源：1）15~36V DC.

　                         　2）15V,RL=0~250

　                         　3）24V,RL=0~500

　                         　4）30V,RL=0~750

　　                         5）36V,RL=0~1K

　　3.设计方案及其变送器的系统方框图

　　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；V/I变换器与 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；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。

　　二线制交流电流变送器是一种能将被测交流电流按线性比例输出直流标准电流的新型仪表。配以相应的指示仪表或直接输出送到DCS系统，实现交流电流的测量和控制。

　　4.二线制交流变送器的元器件选择与电路的设计

　　4.1互感器的选择

　　电流互感器是一种交流电流/电流变换器，当初级流过交流电流时，次级线圈则对应其变比产生交流电流。再通过负载电阻转换成交流电压信号。

　　合理选择互感器的变比十分重要。

　　在选择变比之前，首先要确定通过互感器产生的负载电压是否满足变送电路需要的输入信号电压。通常我们将输入信号电压的值选择在2~3V/AC 左右。

　　同时选择互感器负载电阻为标准系列电阻。选RL=1KΩ。

互感器连接负载（图2-1）

　　例如：输入信号电压选2.5V.

　　I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA

　　已知：交流电流输入为0~5A,

　　则变比为：   5A/0.0025A=2000

　　即     1:2000

　　所以，当电流互感器初级电流为0~5A 变化时，次级负载电阻两端的电压为0~2.5V.

　　选择5A/2.5mA的互感器。

　　如果要求输入信号电压的值选择在3V时，只需要将负载电阻选择为RL=1.2KΩ即可。

　　V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V

　　仍然选择5A/2.5mA的互感器。

　　4.2整流电路的选择

　　如果输入的信号非常微弱时，需要首先对信号进行放大后再进行整流。为了简化电路，我们选择的输入信号电压幅度比较大，0~2.5V/AC.所以可以直接整流，而不必进行放大。

　　如果直接利用常用的晶体二极管整流，二极管的正向电压降会造成小电流时不能正常输出，从而造成在互感器输入≤1A 电流时，变送器无法线性输出标准电流信号。原因是晶体二极管的正向电压降在0.5~0.7V 左右，当互感器输入电流≤1A 时，次级负载电阻两端的电压为≤0.5V,此时晶体二极管无法导通！

　　我们利用运算放大器的反馈电路来实现理想二极管获得过零整流的特性，即微小信号的理想整流，从而获得高线性整流的特性。

　　同时，为了简化电路，降低变送器的功耗，而采用了半波精密整流电路

半波精密整流电路（图2-2）

　　图中的R2,R3,D1与N1 运算放大器组成正输出的理想二极管整流电路。D1 串接于运算放大器N1 的输出端，并且从D1 的阴极开始进行反馈。R2 是串联的输入电阻Ri,R3 是反馈电阻Rf.既然不需要进行放大，所以选择R3=R2.

　　通常选择通用运算放大器的输入阻抗为几十千欧姆，所以选择R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相对误差尽量小一点，否则输出的直流电压会产生误差。

　　对于输入的负半周信号来讲，N1 是一个典型的反相放大器。此时的增益为

　　A=（-Vi）×（-R3/R2）=Vi

　　而对于输入的正半周信号来讲，N1 的输出则变成负值

　　A=Vi×（-R3/R2）=-Vi

　　此时D1 被反相偏置而截止，输入信号Vi 则通过R2,R3串联电路直接输出至后电路。

　　4.3低通滤波器电路的选择

　　为了保证直流信号的有效传送，彻底滤除掉工频信号以及各种杂波噪声对变送器的影响，选用低通滤波器来完成此项任务。同时为了取得平坦的滤波效果，采用2db/oct 巴特沃次（平坦特性）滤波器电路。

　　而滤波电路的Q 值必须≥0.707才能获得平坦特性。

　　Q=√（C1/C2）/2= ≥0.707

　　为了使Q=≥0.707左右，C1,C2必须建立的关系为

　　C1=4Q²×C2=2C2

　　同时电路必须满足以下关系

　　Ro=R2=R3

　　Co=1/（2π×fL×Ro）

　　C1=1.4Co

　　C2=0.7Co

　　fL=1/（2π×Co×Ro）

　　式中    Ro    输出等效电阻

　         　Co    输出等效电容

　          　fL     低通截止频率

　          　2π   2×3.14

　　根据以上公式，首先确定低通滤波器的截止频率。

　　为了有效的滤除工频信号（50Hz）和外界杂波干扰频率信号，保证直流有用信号的顺利传输，合理的选择低通滤波器的截止频率至关重要。

　　通常考虑截止频率为工频的1/10~1/20以下，这里选择≤2~5Hz.即只允许低于2~5Hz以下的交流及直流信号通过，高于2~5Hz以上的所有信号必须彻底隔断阻止通过。

　　根据公式   fL=1/（2π×Co×Ro）

　　选择   fL=（2~5）Hz

　　Ro=R2=R3=51KΩ

　　Co=1/（2π×fL×Ro）

　　=1/（6.28×（2~5）×51000）

　　=（0.624~1.56）μF

　　C1=1.4Co=（0.847~2.184） Ω

　　C2=0.7Co=（0.437~1.092） μF

　　由于电容器的规格容量标称值有一定的限制，这里选择容量接近的标称容量的电容器进行配组：

　　组：C1=0.847μF    选1μF

　　C2=0.437μF    选0.47μF

　　第二组：C1=2.184μF    选2.2μF

　　C2=1.092μF    选1μF

　　验证：

　　组：Co=C1/1.4=0.714μF

　　Co=C2/0.7=0.671μF

　　第二组：Co=C1/1.4=1.571μF

　　Co=C2/0.7=1.429μF

　　根据Co=1/（2π×fL×Ro）

　　=1/（6.28×（2~5）×51000）

　　=（0.624~1.56）μF

　　在截止频率为2~5Hz范围内，Co=（0.624~1.56）μF 时，

　　组按截止频率计算，取Co=0.671μF

　　第二组按截止频率计算，取Co=1.571μF

　　验证：根据公式   fL=1/（2π×Co×Ro）

　　组：fL=1/（2π×Co×Ro）

　　=1/（6.28×0.671×51000×10^-6）

　　=4.653Hz

　　第二组：fL=1/（2π×Co×Ro）

　　=1/（6.28×1.571×51000×10^-6）

　　=1.987Hz

　　基本满足设计要求的（2~5）Hz 范围。具体电路见（图2-3）

　　再验证体通滤波器的Q值是否满足要求：

　　组：Q=√(C1/C2)/2=√(1/0.47)/2=√2.128/2=0.7296

　　第二组：Q=√(C1/C2)/2=√(2.2/1)/2=√2.2/2=0.7416

　　均≥0.707,可以认为成立。

低通滤波器电路元件配型对应的截止频率表

 

	C1 =1μF	C1=2.2μF
电  阻  值Ro	C2=0.47μF	C2=1μF
51KΩ	4.653Hz	1.987Hz
Q 值≥0.707	0.7296	0.7416

　　4.4基准电压产生与加法器电路的选择

　　为了保证在零信号输入时，使输出信号为标准电流信号的零位基准4mA,必须在加法器电路的输入端提供系统输出电流信号的零点调节电压。同时要求该电压必须稳定可靠，避免温度影响而引起的漂移现象。

　　基准电压电路采用TL431组成2.5V的基准电压。

　　为了减小温度漂移现象，采用LM334组成恒流源给TL431提供偏置电流。

　　考虑二线制仪表的静态电流要求，4mA 的零点电流中，全部电路的静态电流考虑留出1mA左右的零点调节范围，全部电路的静态电流不能超过3mA .由于运算放大器准备选用LM124四运放，LM124的静态电流约为1.7mA 左右。所以，选择基准电压电路TL431的偏置电流为1.3mA左右 .

　　根据公式   Rset=（67.7×10^-3）/I

　　=（67.7×10^-3）/（1.3×10^-3）

　　=52Ω

　　选标称电阻值51Ω。

　　验证：    I=（67.7×10^-3）/ Rset

　　=（67.7×10^-3）/ 51Ω

　　=0.00133A=1.33 mA

　　基本满足设计要求。

　　基准电压产生与加法器电路见（图2-4）

　　加法器电路是一个典型的反相加法放大器，输出电压Eo可以有以下公式表示：

　　Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Ri2）]

　　式中

　　Eo    输出电压

　　Vi1   前级来的信号电压（+0~2.5V）

　　Vi2   系统零点基准调节电压（+0~2.5V）

　　RF   加法器反馈电阻（3KΩ）

　　Rf1   前级信号输入电阻（3KΩ+0~10KΩ）

　　Rf2   基准调节电压信号的输入电阻（51KΩ）

　　由于后电路要求，反相加法放大器是一个衰减式的加法电路。所以

　　Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Ri2）]

　　=-[Vi1（0.23~1）+Vi2（0.0588）]

　　=-[0~2.5（0.23~1）+0~2.5（0.0588）]

　　=-[0~（0.575~2.5）+（0~0.147）] （V）

　　在试验应用调试时，当没有交流电流输入时，调整系统零点调节电位器（0~100KΩ）使输出电压为-0.042V;此时零点电位器的调节输出电压在0.7V左右。当输入交流电流为5A 时，调整输入电位器（也称量程调整电位器）使输出电压为-0.867V即可。

　　运算放大器的反馈电阻两端并联的电容器构成简单的一阶低通滤波器，进一步限制抵消干扰噪波信号

　　4.5电压/电流转换电路的选择

　　由运算放大器组成恒流输出电路，晶体三极管进行扩流，晶体管发射极的电阻组成电流敏感电路，在电阻两端产生反馈电压。由于该级的增益确定为1,所以，RF=Rf=10KΩ。此时电阻两端的电压严格跟踪输入电压，只是极性相反，即Vro=-Vi .

　　已知前级输出电压为-0.042V~-0.867V ,所以要求流过51Ω电阻的电流为

　　Io=V/R=（0.042~0.867）/51=0.82~17mA .

　　加上系统电路元件的静态电流3 mA ,系统电流为

　　0.82~17+3=3.82~20mA

　　适当调整零点和量程电位器，使得系统电流在输入0~5A/AC 时，输出电流为4~20mA /DC 即可。

　　由于本电路的负载是长电缆，为了避免电路产生振荡，在运放的反馈端（即反相输入端与输出端之间）增加了防止寄生振荡的电容器（0.1μF）。

　　具体电路见下图（图2-5）

电压/电流转换电路

　　4.6辅助电源的选择

　　为了满足运算放大器工作时处理负电压信号，必须给系统提供相应的正，负工作电压。所以在系统共用端与电源负极回路串联一只发光二极管，利用发光二极管工作是产生的电压降作为运算放大器的负电源。同时将运算放大器的负电源端与发光二极管的阴极接通，从而提高了系统共用端的电位，相映对于系统共用端来讲，运算放大器得到了正，负工作电源。

　　发光二极管的正向压降：红色1.5V 左右；绿色1.7V 左右；黄色1.9V 左右。

　　同时，发光二极管兼任变送器的工作状态指示灯。

　　4.7电源极性保护电路

　　在系统回路中串联一只二极管就构成了电源极性保护电路。

　　当电源极性正确是，发光二极管发光，证明电源极性正确；而电源极性接反时，二极管截止，没有电流通过变送器系统，发光二极管则不会发光。

　　同时，变送器正常工作时，还可以根据发光二极管的亮度变化情况，判断工作电流的大小。

　　5.完整电路图

基准电压的产生与加法器电路

　　6.设计心得体会

　　通过验证证明，该设计方案是成功的。其中难免存在一些错误和缺陷，请老师能给予批评和指证，使该设计更加完善。

　　通过此次课程设计让我能够亲身参予电子产品的设计使我更加深深地体会到：现代的社会是信息的社会，科技对于一个企业一个国家的重要性，设计出好的，性价比高的原件产品更是我们作为一名电气的学生努力发展的方向，我认识到我不仅要学好课本上的知识，还要学会将所学到的知识联系并应用到现实生活中，做到理论联系实际。

　　通过这这周紧张而充实的课程设计，我学到了很多东西，并对我以后所要做的毕业设计有了一个初步的了解。做好一个课程设计或毕业设计不仅要具备扎实的书本知识并会善于应用，还要学会查阅资料，对以前学过的知识不清楚的地方还要进行复习，实在搞不明白的地方要向老师或同学请教，这样才可能做出一个比较不错的课程设计。通过此次设计过程，使我学会了一些作为一个电气的学生所应学会的软件如protel,并对可编程逻辑器件的应用和开发的设计思想有了更进一步的了解和掌握。在这里我要感谢我们的指导老师，非常感谢老师的指导和帮助，真的很感谢他们。希望以后还能参加这样的课程设计。我想我会做的更好的。

　　参考文献

　　1.  童诗白 话成英 模拟电子技术（第四版）高等教育出版社

　　2. 张国军，马玉芳，朴忠学。电子技术实验指导书。葫芦岛：电工电子技术实验中心，2009

　　3. 李良荣，现代电子设计技术，北京：机械工业出版社，2004

　　4. 黄正瑾，在系统编程技术及其应用。2版，南京：东南大学出版社，1995

　　5. 路而红，专用集成电路设计与电子设计自动化，北京：清华大学出版社，2004

　　6. 郑家龙，集成电子技术基础教程，北京，高等教育出版社，2002

　　7. 赵广林 ,Protel 99SE 电路设计与制版 电子工业出版社