4-20ma電流信號發(fā)生器

1、二線制交流電流變送器的設計步驟作者 信繼華前言根據(jù)廣大網(wǎng)友的要求， 特別是剛走出學校門的大學生們， 在進行電路設計時， 面對新的項目， 無法下手，不知道具體的設計思路從何處怎樣開展，到處求人提供資料，而大部分都不能實用。本人經(jīng)常收到網(wǎng)友的求助， 要求提供設計思路。 但本人的答復僅對某個項目提出一點建議，而針對廣大網(wǎng)友來講，起不到啟發(fā)作用！原因是，很多網(wǎng)友不希望本人公開答復，一是擔心提出的問題太低級， 招來某些“閑人”的熱潮冷諷。 二是存在人們固有的保守思想的影響，不想讓別人知道他的“秘密項目” 。用現(xiàn)在比較時髦的話來講，稱“保護知識產(chǎn)權(quán)” 。知識產(chǎn)權(quán)是有時效性的！ 過分強調(diào)保護知識產(chǎn)權(quán)， 對于

2、整個社會的發(fā)展是有害而無益的！比如本人在網(wǎng)上轉(zhuǎn)載多年前公開發(fā)行的專業(yè)書籍， 就引來不少非議。 而提出非議的并不是作者本人！我想，作者寫書的目的并非純粹為了經(jīng)濟利益吧？在這里提醒大家一下，任何項目，從設計到實施完成，都是一個系統(tǒng)工程，并非是某一個專業(yè)能夠獨立完成的。 它需要不同專業(yè)的密切配合，齊心協(xié)力， 共同攻關， 最終的成功必定是一個集體智慧的結(jié)晶！一個集體智慧的結(jié)晶！為了向大家提供一個具體的設計思路， 這里將本人十年前設計的一個小項目的具體步驟公開出來， 希望能夠給大家今后進行設計項目時起到一點引導作用。 同時也希望專家學者給本人提出批評指導意見。二線制交流電流變送器的設計步驟已知大電流電流

3、互感器均將不同的電流轉(zhuǎn)換成05A 的交流電流進行現(xiàn)場顯示。 而進行遠距離傳送時， 必須將該電流轉(zhuǎn)換成標準直流電流信號420mA ， 才能進行傳送。市場上此類交流電流變送器大都采用 “四線制”的方法： 即交流電源線二根， 直流電流信號線二根。而我們設計的是“二線制交流電流變送器” 則只采用二根電線：即在給變送器內(nèi)的電路提供直流電源的同時，將根據(jù)05A 交流電流變化的變送輸出標準直流電流信號420mA 遠傳至控制室顯示或進入計算機內(nèi)處理后在顯示器畫面上顯示。設計思路1，選擇低功耗元器件，在滿足功能要求的前提下，盡量簡化電路，滿足二線制儀表的要求。2，采取有效措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，減小溫度飄移

4、。3，完善系統(tǒng)保護措施，增加儀表的可靠性。一，互感器的選擇電流互感器是一種交流電流 /電流變換器，當初級流過交流電流時，次級線圈則對應其 變比產(chǎn)生交流電流。再通過負載電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓信號。合理選擇互感器的變比十分重要。在選擇變比之前，首先要確定通過互感器產(chǎn)生的負載電壓是否滿足變送電路需要的輸入 信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在23V/AC左右。同時選擇互感器負載電阻為標準系列電阻。選RL=1K Qo （見圖一）例如：輸入信號電壓選2.5V。I=V/R=2.5V/1000 =0.0025A=2.5mA已知:交流電流輸入為05A ,則變比為：5A/0.0025A=2000即 1:2

5、000所以，當電流互感器初級電流為05A變化時，次級負載電阻兩端的電壓為02.5Vo選才i 5A/2.5mA的互感器。如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3V時，只需要將負載電阻選擇為RL=1.2K 即可。V=I X R=0.0025A X 1.2KQ =3V仍然選擇5A/2.5mA的互感器。二，整流電路的選擇如果輸入的信號非常微弱時，需要首先對信號進行放大后再進行整流。為了簡化電路，我們選擇的輸入信號電壓幅度比較大，02.5V/AC。所以可以直接整流， 而不必進行放大。如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會造成小電流時不能正常輸出，從而造成在互感器輸入w1A電流時，變送器無法線

6、性輸出標準電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.50.7V左右，當互感器輸入電流W1A時，次級負載電阻兩端的電壓為W 0.5V,此時晶體二極管無法導通！我們利用運算放大器的反饋電路來實現(xiàn)理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。同時，為了簡化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路。(見圖二)圖中的R2, R3, D1與N1運算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1串接于運算放大器N1的輸出端，并且從 D1的陰極開始進行反饋。R2是串聯(lián)的輸入電阻 Ri, R3是反饋電阻Rfo既然不需要進行放大，所以選擇 R3=R2 o通常選擇通用運算放

7、大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10K a51KQ均可，要求相對誤差盡量小一點，否則輸出的直流電壓會產(chǎn)生誤差。對于輸入的負半周信號來講，N1是一個典型的反相放大器。此時的增益為A= ( Vi)x ( R3/R2) =Vi而對于輸入的正半周信號來講，N1的輸出則變成負值A=Vi X ( R3/R2) =Vi此時D1被反相偏置而截止，輸入信號Vi則通過R2, R3串聯(lián)電路直接輸出至后一級電路。二線制交流電流變送器的設計步驟(二)低通濾波器電路的選擇為了保證直流信號的有效傳送，徹底濾除掉工頻信號以及各種雜波噪聲對變 送器的影響，選用低通濾波器來完成此項任務。同時為了取得平坦的濾波效

8、果，采用2db/oct巴特沃次(最平坦特性)濾波器電路。而濾波電路的Q值必須 0.707才能獲得最平坦特性。Q=，(C1/C2)/2= 0.707為了使Q=0.707左右，C1, C2必須建立的關系為C1=4Q 平方 XC2=2C2同時電路必須滿足以下關系Ro=R2=R3Co=1/(2 兀 X fL X Ro)C1=1.4CoC2=0.7CofL=1/(2 兀 X Co X Ro)式中 Ro 輸出等效電阻Co輸出等效電容fL低通截止頻率2 兀 2X3.14根據(jù)以上公式，首先確定低通濾波器的截止頻率。為了有效的濾除工頻信號(50Hz)和外界雜波干擾頻率信號，保證直流有 用信號的順利傳輸，合理的選

9、擇低通濾波器的截止頻率至關重要。通?？紤]截止頻率為工頻的1/101/20以下，這里選擇0 25Hz0即只允許低于 25Hz 以下的交流及直流信號通過，高于 25Hz 以上的所有信號必須徹底隔斷阻止通過。根據(jù)公式 fL=1/(2兀X CoX Ro)選擇 fL= ( 25) HzRo=R2=R3=51KQCo=1/(2 兀 X fL X Ro)=1/(6.28X (25) X 51000)二(0.6241.56m FC1=1.4Co=(0.8472.184) FC2=0.7Co=(0.4371.092) F由于電容器的規(guī)格容量標稱值有一定的限制，這里選擇容量接近的標稱容量的電容器進行配組：第一組：

10、C1=0.847n F 選 1FC2=0.437n F 選 0.47 仙 F第二組：C1=2.184n F 選 2.2仙 FC2=1.092n F 選 1產(chǎn)驗證：第一組：Co=C1/1.4=0.714n FCo=C2/0.7=0.671 a F第二組：Co=C1/1.4=1.571 仙 FCo=C2/0.7=1.429n F根據(jù) Co=1/(2 兀 X fL X Ro)=1/(6.28X (25) X 51000)二(0.6241.56m F在截止頻率為25Hz范圍內(nèi)，Co=(0.6241.56)n F時，第一組按最高截止頻率計算，取 Co=0.671 F第二組按最低截止頻率計算，取 Co=1

11、.57VF驗證：根據(jù)公式fL=1/(2 tt X Cox Ro)第一組：fL=1/(2 兀 X Cox Ro)=1/(6.28X 0.671 X 51000X 10 負 6 次方)=4.653Hz第二組：fL=1/(2 兀 X Cox Ro)=1/(6.28X 1.571 X 51000X 10 負 6 次方)=1.987Hz基本滿足設計要求的(25) Hz 范圍。具體電路見(圖三)。再驗證體通濾波器的Q值是否滿足要求：第一組：Q=，(C1/C2)/2=，(1/0.47)/2=，2.128/2=0.7296第二組：Q=，(C1/C2)/2=，(2.2/1)/2=，2.2/2=0.7416均方0

12、.707,可以認為成立。二線制交流電流變送器的設計步驟(三) 低通濾波器電路元件配型對應的截止頻率表電阻值RoC1 =U F C2=0.47p FC1=2.2p F C2=1 aF30KQ3.379Hz33KQ3.071Hz36KQ2.687Hz39KQ2.599Hz43KQ2.357Hz47KQ2.157Hz51KQ4.653Hz1.987Hz56KQ4.238Hz62KQ3.828Hz68KQ3.490Hz75KQ3.164Hz82KQ2.894Hz91KQ2.608Hz100KQ2.373Hz110KQ2.158Hz120KQ1.978HzQ 0.7070.72960.7416二線制交流

13、電流變送器的設計步驟（四）四，基準電壓產(chǎn)生與加法器電路的選擇為了保證在零信號輸入時，使輸出信號為標準電流信號的零位基準4mA,必須在加法器電路的輸入端提供系統(tǒng)輸出電流信號的零點調(diào)節(jié)電壓。同時要求該電壓必須穩(wěn) 定可靠，避免溫度影響而引起的漂移現(xiàn)象?；鶞孰妷弘娐凡捎?TL431組成2.5V的基準電壓。為了減小溫度漂移現(xiàn)象，采用LM334組成恒流源給TL431提供偏置電流?？紤]二線制儀表的靜態(tài)電流要求，4mA的零點電流中，全部電路的靜態(tài)電流考慮留出1mA左右的零點調(diào)節(jié)范圍，全部電路的靜態(tài)電流不能超過3mA 。由于運算放大器準備選用LM124四運放，LM124的靜態(tài)電流約為1.7mA左右。所以，選擇基

14、準電 壓電路TL431的偏置電流為1.3mA左右。根據(jù)公式Rset= （67.7X 10負3次方）/I=（67.7 X 10 負 3 次方）/（1.3X 10 負 3 次方）=52 Q選標稱電阻值51 Qo驗證： I= （67.7X 10 負 3 次方）/ Rset =（67.7 X 10 負 3 次方）/ 51 Q =0.00133A=1.33 mA基本滿足設計要求?；鶞孰妷寒a(chǎn)生與加法器電路見（圖四）。3 k Ohm加法器電路是一個典型的反相加法放大器，輸出電壓 Eo可以有以下公式表示:Eo=-Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Ri2）式中 Eo 輸出電壓Vi1前級來的信號電壓（+02.

15、5V）Vi2系統(tǒng)零點基準調(diào)節(jié)電壓（+02.5V）RF加法器反饋電阻(3KQ)Rf1前級信號輸入電阻(3K Q +010K Q)Rf2基準調(diào)節(jié)電壓信號的輸入電阻(51KQ)由于后一級電路要求，反相加法放大器是一個衰減式的加法電路。所以Eo=-Vi1(RF/Rf1)+Vi2(RF/Ri2) =-Vi1(0.231)+Vi2(0.0588) =-02.5(0.231)+02.5(0.0588) =-0(0.5752.5)+(00.147) (V) 在試驗應用調(diào)試時，當沒有交流電流輸入時，調(diào)整系統(tǒng)零點調(diào)節(jié)電位器(0100KQ)使輸出電壓為 -0.042V ； 此時零點電位器的調(diào)節(jié)輸出電壓在0.7V 左

16、右。 當輸入交流電流為5A時， 調(diào)整輸入電位器 (也稱量程調(diào)整電位器) 使輸出電壓為 -0.867V 即可。而在系統(tǒng)實當然這里只是引導大家分步驟分析了解電路的設計步驟時所采用的方法際應用調(diào)試時， 則利用監(jiān)測輸出的標準電流信號來調(diào)節(jié)零點和量程電位器。運算放大器的反饋電阻兩端并聯(lián)的電容器構(gòu)成簡單的一階低通濾波器， 進一步限制抵消干擾噪波信號。這里就不啰嗦太多了。二線制交流電流變送器的設計步驟 (五 )五，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的選擇由運算放大器組成恒流輸出電路， 晶體三極管進行擴流， 晶體管發(fā)射極的電阻組成電流敏感電路， 在電阻兩端產(chǎn)生反饋電壓。 由于該級的增益確定為 1，所以，RF=Rf=10KQo

17、此時電阻兩端的電壓嚴格跟蹤輸入電壓，只是極性相反，即 Vro=-Vi 。已知前級輸出電壓為-0.042V-0.867V，所以要求流過51 Q電阻的電流為Io=V/R=(0.0420.867)/51=0.8217mA 。加上系統(tǒng)電路元件的靜態(tài)電流3 mA ，系統(tǒng)電流為0.8217+3=3.8220mA適當調(diào)整零點和量程電位器，使得系統(tǒng)電流在輸入 05A/AC 時，輸出電流為 420mA /DC 即可。由于本電路的負載是長電纜， 為了避免電路產(chǎn)生振蕩， 在運放的反饋端 (即反相輸入端與輸出端之間)增加了防止寄生振蕩的電容器(0.1 nF)。具體電路見(圖五)。+2W10 k Ohrn-VW-0.1

18、 uF1MLM124 i ri l-六，輔助電源的選擇為了滿足運算放大器工作時處理負電壓信號，必須給系統(tǒng)提供相應的 正，負工作電壓。所以在系統(tǒng)共用端與電源負極回路串聯(lián)一只發(fā)光二極管， 利用發(fā)光二極管工作是產(chǎn)生的電壓降作為運算放大器的負電源。同時將運算放大器的負電源端與發(fā)光二極管的陰極接通，從而提高了系統(tǒng)共用端的電 位，相映對于系統(tǒng)共用端來講，運算放大器得到了正，負工作電源。發(fā)光二極管的正向壓降：紅色1.5V左右；綠色1.7V左右；黃色1.9V 左右。同時，發(fā)光二極管兼任變送器的工作狀態(tài)指示燈。七，電源極性保護電路在系統(tǒng)回路中串聯(lián)一只二極管就構(gòu)成了電源極性保護電路。當電源極性正確是，發(fā)光二極管發(fā)

19、光，證明電源極性正確；而電源極性接反 時，二極管截止，沒有電流通過變送器系統(tǒng)，發(fā)光二極管則不會發(fā)光。同時，變送器正常工作時，還可以根據(jù)發(fā)光二極管的亮度變化情況， 判斷工 作電流的大小。二線制交流電流變送器的設計步驟（七）元件裝配示意圖:裝配完成圖:外形圖：試驗報告線制交流電流變送器丈驗報告變送器技術(shù)要求錢電用m度1電解電n4#：51911 11fL524IHPg持木肺忡t715電J電流校驗儀I美區(qū)FLUKE公司UI 9圳1敢字力用&I,海疆本物理照究所r 葉 、內(nèi)值看樂電at肉?電器公司|4啷卜數(shù)字萬用衣|洋圳| 32飛、:;.：25UH標準電用5*)口甘冊電附精懂誤料叫)?總計r | 耍lT930F+ft7S 1：T24-A交流電流表生處曳歸輸也mA) 斗.2500倒破電樂|JM mt數(shù)字萬網(wǎng)人標準申.流衿出加1 ) 4E實總電流輸出“)輸入交流電流(A)變送器端號：/ .4FM L jFw-r.菌*6廠年r月)口突驗內(nèi)容(區(qū)，ou*cT1電4交流電流入i輸入交流電施(A)*Q70，.力a:4e標準電流輸出(mA)4E&N*“4AJf2理論實際電流輸fiUm.M?2ni .