一種電流型二線制光照強(qiáng)度變送器的設(shè)計(jì)

鄒觀鵠，黃大慶

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究院，江蘇 南京 210016）

一種電流型二線制光照強(qiáng)度變送器的設(shè)計(jì)

鄒觀鵠1，黃大慶2

（1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 無人機(jī)研究院，江蘇 南京 210016）

現(xiàn)階段對(duì)電流型二線制光照強(qiáng)度變送器的研究還相對(duì)較少，設(shè)計(jì)的光照強(qiáng)度變送器普遍存在精度不高，線性度不好，性能不夠穩(wěn)定，不能輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)的問題。介紹了一種電流型二線制光照強(qiáng)度變送器的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)由光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路、電壓范圍轉(zhuǎn)換電路、電壓轉(zhuǎn)電流電路以及穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變送器具有精度高、線性度好、功耗低，能夠穩(wěn)定可靠地輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流的特點(diǎn)。

電流型；光照強(qiáng)度；二線制；變送器；高精度

由于電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，目前工業(yè)上廣泛采用4～20 mA電流信號(hào)來傳輸模擬量，所以現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的變送器主要以電流型變送器為主[1]。而根據(jù)電流型變送器所外接線的多少，一般可以把電流型變送器分為電流型三線制變送器和電流型二線制變送器。電流型三線制變送器一般外接三根線，分別是兩根電源線與一根電流輸出線；電流型二線制變送器則一般外接兩根線，兩根均為電源線，電源電流即為所要輸出的電流[2]。電流型三線制變送器存在著很明顯的缺點(diǎn)，其傳輸信號(hào)必須用3根線，且為了降低信號(hào)干擾，通常線纜中還需要加屏蔽線，所以當(dāng)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，其線纜成本較高，且安裝也比較復(fù)雜，這在很大程度上限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。相比之下，電流型二線制變送器只需要用簡(jiǎn)單的雙絞線就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，且雙絞線受干擾較小，不需要額外添加屏蔽線，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，電流型二線制變送器相比電流型三線制變送器具有突出的成本優(yōu)勢(shì)[4]，所以現(xiàn)階段對(duì)電流型二線制變送器的研究具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些針對(duì)溫度、濕度等物理量的電流型二線制變送器的研究，而針對(duì)光照強(qiáng)度的電流型二線制變送器的研究則相對(duì)較少。由于光照強(qiáng)度與溫度、濕度等物理量之間的差異性，很多時(shí)候不能將針對(duì)溫度濕度等物理量的電流型二線制變送器電路直接應(yīng)用于電流型二線制光照強(qiáng)度變送器上[5]。另外，目前已有設(shè)計(jì)的一些光照強(qiáng)度變送器普遍存在精度不高，線性度不好，性能不夠穩(wěn)定，不能輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)的問題。為此，這里設(shè)計(jì)了一種電流型二線制光照強(qiáng)度變送器，其具有精度高、線性度好、功耗低的特點(diǎn)，能夠穩(wěn)定可靠地輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流信號(hào)，從而有效地解決了前面介紹的問題。

1 變送器系統(tǒng)組成

如圖1所示，電流型二線制光照強(qiáng)度變送器電路，其結(jié)構(gòu)主要包括光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路，電壓范圍轉(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)電流電路，穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路4部分。

圖1 變送器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of transmitter

光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路主要實(shí)現(xiàn)將硅光電池產(chǎn)生的極其微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為后面可處理的0～5 V輸出電壓；電壓范圍轉(zhuǎn)換電路則將0～5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0.4～2 V電壓信號(hào)；電壓轉(zhuǎn)電流電路實(shí)現(xiàn)將0.4～2 V電壓轉(zhuǎn)化為4～20 mA電流信號(hào)；穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路則實(shí)際上利用了產(chǎn)生的4～20 mA電流為前端光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路、電壓范圍轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的供電電壓，從而能最大限度減小外接電源供電電壓變動(dòng)對(duì)變送器性能的影響。

2 變送器電路設(shè)計(jì)

2.1 光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路

如圖2所示，硅光電池將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為一個(gè)極其微弱的電流，該電流與光照強(qiáng)度成正比。由運(yùn)算放大器UC1同相輸入端與反相輸入端虛斷可知，硅光電池產(chǎn)生的電流主要流經(jīng)反饋電阻R1，這樣就在運(yùn)算放大器UC1輸出端形成輸出電壓，該輸出電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器UC2后進(jìn)行隔離放大，所以在運(yùn)算放大器UC2輸出端可以得到一輸出電壓，該輸出電壓與光照強(qiáng)度成正比。通過調(diào)整電阻R1、R2、R3阻值可以將輸出電壓調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V。

圖2 光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路Fig.2 Light intensity convert to voltage circuit

式中：I為硅光電池產(chǎn)生的電流，V1為輸出電壓。

通過調(diào)整R1、R2、R3的阻值，可以得到標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓為0～5 V。

2.2 電壓范圍轉(zhuǎn)換電路

如圖3所示，上述光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路得到了標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V輸出電壓，該電壓通過運(yùn)算放大器UC3及電阻R4、R5、R6、R7構(gòu)成的同相比例放大電路后可以變換得到0～1.6 V電壓。而經(jīng)過分壓電路，可調(diào)電位器W1的滑動(dòng)端處可以得到一個(gè)電壓，該電壓與前面得到的0～1.6 V電壓通過由運(yùn)算放大器 UC4 及電阻 R9、R10、R11、R12、R13構(gòu)成的同相加法電路后可以在運(yùn)算放大器UC4輸出端得到0.4～2 V的電壓。

具體公式推導(dǎo)如下：

由虛短虛斷可知：

公式推導(dǎo)如下：

由運(yùn)放的虛短虛斷可知：

從而

圖3 電壓范圍轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Voltage convert to voltage circui

從而

式中：Vref為可調(diào)電位器滑動(dòng)端得到的分壓值。

選擇合適的 R8、R9、R10、R11、R12、R13阻值以及調(diào)節(jié)可調(diào)電位器，可得Vout2=0.4～2 V。

2.3 電壓轉(zhuǎn)電流電路

如圖4所示，仔細(xì)分析可知，運(yùn)算放大器UD1輸出端通過電阻 R17、三極管 Q1、電阻 R18、電阻 R19、電阻 R15反饋回運(yùn)算放大器UD1的同相輸入端構(gòu)成了負(fù)反饋支路。由運(yùn)放虛短虛斷的特點(diǎn)可以知道，當(dāng)電阻R14與電阻R15阻值相等時(shí)，電阻R19兩端壓降正好等于電壓范圍轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓0.4～2 V，所以如果取 R19為 100 Ω，然后 R15>>R19，那么最終電路中總電流就約等于流經(jīng)電阻R19的電流，即4～20 mA。

選擇合適的 R5、R6、R7阻值，可以使得為 0～1.6 V。

由同相求和運(yùn)算電路可知，當(dāng)R9//R10//R11=R12//R13時(shí)，

圖4 電壓轉(zhuǎn)電流電路Fig.4 Voltage convert to current circuit

具體公式推導(dǎo)如下：

由虛短虛斷可知：

如果取 R14=R15，則

容易看出R15、R19兩端電壓都等于Vb，因此電路總電流：

取 R15遠(yuǎn)大于 R19，且取 R19=100，則 I=4～20 mA。

2.4 穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路

如圖5示，電流源使得穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路的輸入電流穩(wěn)定，從而保證其輸出電壓穩(wěn)定，即給前端供電的供電電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管D1將在運(yùn)算放大器UD2正相輸入端產(chǎn)生一個(gè)2.5 V的基準(zhǔn)電壓，然后通過由運(yùn)算放大器UD2、電阻R20、R21構(gòu)成的放大電路對(duì)該基準(zhǔn)電壓進(jìn)行放大，從而在運(yùn)算放大器UD2輸出端得到約12 V的電壓。

圖5 穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路Fig.5 Power supply generation circuit

具體公式推導(dǎo)為：

由運(yùn)放虛短虛斷可得，

從而

因?yàn)閂dd=2.5 V，所以選擇合適的電阻R20、R21阻值，就可以得到所要求的輸出電壓值VDD。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在上述電流型二線制光照強(qiáng)度變送器電路中，運(yùn)放UC1、UC2、UC3、UC4 選 用 OPA481， 運(yùn) 放 UD1、UD2 選 用MC33172。運(yùn)放是電路種主要功耗元件，OPA481及MC33172均為高精度低功耗單電源運(yùn)放，選用它們可以最大限度地提高轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)滿足電路總功耗小于4 mA的要求[6]（因?yàn)殡娐酚赏饨与娫垂╇姡敵鲎钚‰娏鳛? mA，電路正常工作前提是電路總功耗必須小于4 mA）。另外電流源D3選用LM234，穩(wěn)壓二極管D1選用LM285-2.5，二極管D2選用1N437，三極管Q1可以選用2N3904。一般電阻均選用精度為1%的精密電阻。硅光電池選用南通大華公司生產(chǎn)的SPS3030，該硅光電池轉(zhuǎn)換線性度好，且受溫度影響極小，選用它可以提高變送器電路的轉(zhuǎn)換精度。由于電路中采用了穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路為前端運(yùn)放電路供電，所以能夠最大限度地減少外接電源電壓波動(dòng)對(duì)變送器電路造成的影響。

按照上述電路做好PCB板，然后使用上述所選取元器件搭接電路，當(dāng)光照強(qiáng)度從0～200 klux（光照強(qiáng)度單位）變化時(shí)，測(cè)量變送器輸出端電流大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6中，橫軸表示光照強(qiáng)度，單位為klux；縱軸表示輸出電流，單位為mA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該電路很好地實(shí)現(xiàn)了將0～200 klux光照強(qiáng)度信號(hào)到4～20 mA電流信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換精度較高（誤差約為1%），線性度好（近似直線），能穩(wěn)定可靠將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流輸出，最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

圖6 光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電流輸出曲線Fig.6 Curve of light intensity convert to current circuit

4 結(jié)束語

文中詳細(xì)介紹了電流型二線制光照強(qiáng)度變送器的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的變送器精度較高、線性度好、功耗低、性能穩(wěn)定，在工業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。

[1]張愛平.一種新型的可編程的4～20 mA二線制變送器XTR108的應(yīng)用[J].元器件與應(yīng)用，2002（10）：35-37。

ZHANG Ai-ping.The application of a new programmable 4～20 mA two-wire transmitter XTR108[J].Compoment and Applications，2002（10）:35-37.

[2]孫小智.C8051F017構(gòu)建的智能二線制溫度傳感器[J].應(yīng)用天地，2010（4）：66-69.

SUN Xiao-zhi.Intelligent two-wire temperature sensor with C8051F017[J].Practical World，2010（4）:66-69.

[3]楊玲，謝明園，楊明欣.一種具有多功能前端測(cè)量電路的二線制變送器[J].傳感器技術(shù)，2004，23（6）：52-57.

YANG Ling，XIE Ming-yuan，YANG Ming-xin.Two wire system transmitter with versatile front measuring circuit[J].Sensor Technology，2004，23（6）:52-57.

[4]楊玲.二線制溫度變送器電路分析 [J].電子測(cè)量技術(shù)，2004（3）：28-29.

YANG Ling.Analysis of two-wire temperature transmitter circuit[J].ElectronicMeasurementTechnology，2004（3）:28-29.

[5]王利軍，田亮，鄧拓宇.二線制4～20 mA儀表的電源設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程，2010，26（5）:47-50.

WANG Li-jun，TIAN Liang，DENG Tuo-yu.Power supply design of the two-wire 4～20mA meter[J].Electirc Power Science and Engineering，2010，26（5）:47-50.

[6]徐軍，李欣.基于PIC16F877的新型二線制溫度變送器[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003，24（4）：152-155。

XU Jun，LI Xin.New two-wire temperature transducer based on PIC16F877[J].Journal of Scientific Instrument，2003，24（4）:152-155.

Design of a two-wire current-light intensity transmitter

ZOU Guan-hu1，HUANG Da-qing2
（1.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China； 2.UVA Research Institute，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China）

The study of the two-wire current-light intensity transmitter is relatively small，and the design of it has some disadvantages，such as low precision，bad linearity，the performance is not stable enough and can't output standard 4～20 mA current signal.The design of a two-wire current-light intensity transmitter is described.Its structure consists of light intensity convert to voltage circuit， voltage convert to voltage circuit，voltage convert to current circuit，and power supply generation circuit.Experimental results show that the transmitter has characteristics of a high accuracy， good linearity， low power consumption，and can be stable and output reliable standard 4～20 mA current signal.

current-type； light intensity； two-wire； transmitter； high precision

TN91

A

1674－6236（2012）03-0124-03

2011-11-18 稿件編號(hào)：201111091

鄒觀鵠（1987—），男，江西贛州人，碩士研究生。研究方向：遙控遙測(cè)。