4-20ma电流信号发生器

二线制交流电流变送器的设计步骤作者信继华前言根据广大网友的要求，特别是刚走出学校门的大学生们，在进行电路设计时，面对新的项目，无法下手，不知道具体的设计思路从何处怎样开展，到处求人提供资料，而大部分都不能实用。

本人经常收到网友的求助，要求提供设计思路。

但本人的答复仅对某个项目提出一点建议，而针对广大网友来讲，起不到启发作用！原因是，很多网友不希望本人公开答复，一是担心提出的问题太低级，招来某些“闲人”的热潮冷讽。

二是存在人们固有的保守思想的影响，不想让别人知道他的“秘密项目”。

用现在比较时髦的话来讲，称“保护知识产权”。

知识产权是有时效性的！过分强调保护知识产权，对于整个社会的发展是有害而无益的！比如本人在网上转载多年前公开发行的专业书籍，就引来不少非议。

而提出非议的并不是作者本人！我想，作者写书的目的并非纯粹为了经济利益吧？在这里提醒大家一下，任何项目，从设计到实施完成，都是一个系统工程，并非是某一个专业能够独立完成的。

它需要不同专业的密切配合，齐心协力，共同攻关，最终的成功必定是一个集体智慧的结晶！为了向大家提供一个具体的设计思路，这里将本人十年前设计的一个小项目的具体步骤公开出来，希望能够给大家今后进行设计项目时起到一点引导作用。

同时也希望专家学者给本人提出批评指导意见。

二线制交流电流变送器的设计步骤已知大电流电流互感器均将不同的电流转换成0~5A 的交流电流进行现场显示。

而进行远距离传送时，必须将该电流转换成标准直流电流信号4~20mA，才能进行传送。

市场上此类交流电流变送器大都采用“四线制”的方法：即交流电源线二根，直流电流信号线二根。

而我们设计的是“二线制交流电流变送器”则只采用二根电线：即在给变送器内的电路提供直流电源的同时，将根据0~5A 交流电流变化的变送输出标准直流电流信号4~20mA远传至控制室显示或进入计算机内处理后在显示器画面上显示。

设计思路1，选择低功耗元器件，在满足功能要求的前提下，尽量简化电路，满足二线制仪表的要求。

2，采取有效措施，提高系统的抗干扰能力，减小温度飘移。

3，完善系统保护措施，增加仪表的可靠性。

一，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最大值选择在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。

（见图一）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最大值选择在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。

二，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，从而获得高精度线性整流的特性。

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。

（见图二）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一级电路。

二线制交流电流变送器的设计步骤(二)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（最平坦特性）滤波器电路。

而滤波电路的Q 值必须≥0.707才能获得最平坦特性。

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=4Q平方×C2=2C2同时电路必须满足以下关系Ro=R2=R3Co=1/(2π×fL×Ro)C1=1.4CoC2=0.7CofL=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2π2×3.14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）HzRo=R2=R3=51KΩCo=1/(2π×fL×Ro)=1/(6.28×（2~5）×51000)=(0.624~1.56)μFC1=1.4Co=(0.847~2.184) μFC2=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：第一组：C1=0.847μF 选1μFC2=0.437μF 选0.47μF第二组：C1=2.184μF 选2.2μFC2=1.092μF 选1μF验证：第一组：Co=C1/1.4=0.714μFCo=C2/0.7=0.671μF第二组：Co=C1/1.4=1.571μFCo=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，第一组按最高截止频率计算，取Co=0.671μF第二组按最低截止频率计算，取Co=1.571μF验证：根据公式fL=1/(2π×Co×Ro)第一组：fL=1/(2π×Co×Ro)=1/(6.28×0.671×51000×10负6次方)=4.653Hz第二组：fL=1/(2π×Co×Ro)=1/(6.28×1.571×51000×10负6次方)=1.987Hz基本满足设计要求的（2~5）Hz 范围。

具体电路见（图三）。

再验证体通滤波器的Q值是否满足要求：第一组：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。

二线制交流电流变送器的设计步骤(三)C1 =1μF C1=2.2μF 电阻值Ro C2=0.47μF C2=1μF 30KΩ 3.379Hz33KΩ 3.071Hz36KΩ 2.687Hz39KΩ 2.599Hz43KΩ 2.357Hz47KΩ 2.157Hz51KΩ 4.653Hz 1.987Hz56KΩ 4.238Hz62KΩ 3.828Hz68KΩ 3.490Hz75KΩ 3.164Hz82KΩ 2.894Hz91KΩ 2.608Hz100KΩ 2.373Hz110KΩ 2.158Hz120KΩ 1.978HzQ 值≥0.707 0.7296 0.7416二线制交流电流变送器的设计步骤(四)四，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负3次方）/I=（67.7×10负3次方）/(1.3×10负3次方）=52Ω选标称电阻值51Ω。

验证：I=（67.7×10负3次方）/ Rset=（67.7×10负3次方）/ 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（图四）。

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）由于后一级电路要求，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。