一種電流型二線制光照強度變送器的設計

鄒觀鵠，黃大慶

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

一種電流型二線制光照強度變送器的設計

鄒觀鵠1，黃大慶2

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

現階段對電流型二線制光照強度變送器的研究還相對較少，設計的光照強度變送器普遍存在精度不高，線性度不好，性能不夠穩定，不能輸出標準4～20 mA電流信號的問題。介紹了一種電流型二線制光照強度變送器的設計，其結構由光照強度轉電壓電路、電壓范圍轉換電路、電壓轉電流電路以及穩壓電源產生電路組成。實驗結果表明該變送器具有精度高、線性度好、功耗低，能夠穩定可靠地輸出標準4～20 mA電流的特點。

電流型；光照強度；二線制；變送器；高精度

由于電流信號抗干擾能力強，目前工業上廣泛采用4～20 mA電流信號來傳輸模擬量，所以現階段廣泛應用的變送器主要以電流型變送器為主[1]。而根據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，其傳輸信號必須用3根線，且為了降低信號干擾，通常線纜中還需要加屏蔽線，所以當需要進行長距離傳輸時，其線纜成本較高，且安裝也比較復雜，這在很大程度上限制了其在工業領域的應用[3]。相比之下，電流型二線制變送器只需要用簡單的雙絞線就可以進行信號傳輸，且雙絞線受干擾較小，不需要額外添加屏蔽線，當進行遠距離傳輸時，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勢[4]，所以現階段對電流型二線制變送器的研究具有重要意義。

目前國內外已經有一些針對溫度、濕度等物理量的電流型二線制變送器的研究，而針對光照強度的電流型二線制變送器的研究則相對較少。由于光照強度與溫度、濕度等物理量之間的差異性，很多時候不能將針對溫度濕度等物理量的電流型二線制變送器電路直接應用于電流型二線制光照強度變送器上[5]。另外，目前已有設計的一些光照強度變送器普遍存在精度不高，線性度不好，性能不夠穩定，不能輸出標準4～20 mA電流信號的問題。為此，這里設計了一種電流型二線制光照強度變送器，其具有精度高、線性度好、功耗低的特點，能夠穩定可靠地輸出標準4～20 mA電流信號，從而有效地解決了前面介紹的問題。

1 變送器系統組成

如圖1所示，電流型二線制光照強度變送器電路，其結構主要包括光照強度轉電壓電路，電壓范圍轉換電路，電壓轉電流電路，穩壓電源產生電路4部分。

圖1 變送器結構框圖Fig.1 Block diagram of transmitter

光照強度轉電壓電路主要實現將硅光電池產生的極其微弱的電流信號轉化為后面可處理的0～5 V輸出電壓；電壓范圍轉換電路則將0～5 V電壓信號轉換為0.4～2 V電壓信號；電壓轉電流電路實現將0.4～2 V電壓轉化為4～20 mA電流信號；穩壓電源產生電路則實際上利用了產生的4～20 mA電流為前端光照強度轉電壓電路、電壓范圍轉換電路提供穩定的供電電壓，從而能最大限度減小外接電源供電電壓變動對變送器性能的影響。

2 變送器電路設計

2.1 光照強度轉電壓電路

如圖2所示，硅光電池將光照強度轉化為一個極其微弱的電流，該電流與光照強度成正比。由運算放大器UC1同相輸入端與反相輸入端虛斷可知，硅光電池產生的電流主要流經反饋電阻R1，這樣就在運算放大器UC1輸出端形成輸出電壓，該輸出電壓信號經過運算放大器UC2后進行隔離放大，所以在運算放大器UC2輸出端可以得到一輸出電壓，該輸出電壓與光照強度成正比。通過調整電阻R1、R2、R3阻值可以將輸出電壓調整為標準的0～5 V。

圖2 光照強度轉電壓電路Fig.2 Light intensity convert to voltage circuit

式中：I為硅光電池產生的電流，V1為輸出電壓。

通過調整R1、R2、R3的阻值，可以得到標準的輸出電壓為0～5 V。

2.2 電壓范圍轉換電路

如圖3所示，上述光照強度轉電壓電路得到了標準的0～5 V輸出電壓，該電壓通過運算放大器UC3及電阻R4、R5、R6、R7構成的同相比例放大電路后可以變換得到0～1.6 V電壓。而經過分壓電路，可調電位器W1的滑動端處可以得到一個電壓，該電壓與前面得到的0～1.6 V電壓通過由運算放大器 UC4 及電阻 R9、R10、R11、R12、R13構成的同相加法電路后可以在運算放大器UC4輸出端得到0.4～2 V的電壓。

具體公式推導如下：

由虛短虛斷可知：

公式推導如下：

由運放的虛短虛斷可知：

從而

圖3 電壓范圍轉換電路Fig.3 Voltage convert to voltage circui

從而

式中：Vref為可調電位器滑動端得到的分壓值。

選擇合適的 R8、R9、R10、R11、R12、R13阻值以及調節可調電位器，可得Vout2=0.4～2 V。

2.3 電壓轉電流電路

如圖4所示，仔細分析可知，運算放大器UD1輸出端通過電阻 R17、三極管 Q1、電阻 R18、電阻 R19、電阻 R15反饋回運算放大器UD1的同相輸入端構成了負反饋支路。由運放虛短虛斷的特點可以知道，當電阻R14與電阻R15阻值相等時，電阻R19兩端壓降正好等于電壓范圍轉換電路的輸出電壓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。

由同相求和運算電路可知，當R9//R10//R11=R12//R13時，

圖4 電壓轉電流電路Fig.4 Voltage convert to current circuit

具體公式推導如下：

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遠大于 R19，且取 R19=100，則 I=4～20 mA。

2.4 穩壓電源產生電路

如圖5示，電流源使得穩壓電源產生電路的輸入電流穩定，從而保證其輸出電壓穩定，即給前端供電的供電電壓穩定。穩壓二極管D1將在運算放大器UD2正相輸入端產生一個2.5 V的基準電壓，然后通過由運算放大器UD2、電阻R20、R21構成的放大電路對該基準電壓進行放大，從而在運算放大器UD2輸出端得到約12 V的電壓。

圖5 穩壓電源產生電路Fig.5 Power supply generation circuit

具體公式推導為：

由運放虛短虛斷可得，

從而

因為Vdd=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 實驗及結果

在上述電流型二線制光照強度變送器電路中，運放UC1、UC2、UC3、UC4 選 用 OPA481， 運 放 UD1、UD2 選 用MC33172。運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放，選用它們可以最大限度地提高轉換精度，同時滿足電路總功耗小于4 mA的要求[6]（因為電路由外接電源供電，輸出最小電流為4 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的SPS3030，該硅光電池轉換線性度好，且受溫度影響極小，選用它可以提高變送器電路的轉換精度。由于電路中采用了穩壓電源產生電路為前端運放電路供電，所以能夠最大限度地減少外接電源電壓波動對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，當光照強度從0～200 klux（光照強度單位）變化時，測量變送器輸出端電流大小，實驗結果如圖6所示。

圖6中，橫軸表示光照強度，單位為klux；縱軸表示輸出電流，單位為mA。實驗結果顯示該電路很好地實現了將0～200 klux光照強度信號到4～20 mA電流信號的線性轉換。其轉換精度較高（誤差約為1%），線性度好（近似直線），能穩定可靠將光照強度轉換為4～20 mA電流輸出，最終實現了預期目標。

圖6 光照強度轉電流輸出曲線Fig.6 Curve of light intensity convert to current circuit

4 結束語

文中詳細介紹了電流型二線制光照強度變送器的設計，實驗表明設計的變送器精度較高、線性度好、功耗低、性能穩定，在工業中具有良好的應用前景。

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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.

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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.

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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：201111091

鄒觀鵠（1987—），男，江西贛州人，碩士研究生。研究方向：遙控遙測。