如何設(shè)計(jì)二線制變送器

在工業(yè)DAC系列的上一篇文章中，我們探討了如何創(chuàng)建和保護(hù)三線制工業(yè)模擬輸出。今天，我們將轉(zhuǎn)而研究二線制模擬輸出。

圖1：典型二線制變送器簡(jiǎn)圖

圖1為設(shè)計(jì)二線制模擬輸出最常用方法的簡(jiǎn)化電路圖。對(duì)于許多模擬工程師而言，二線制方法比三線制和四線制更難于理解。理解二線制電路的困難大多數(shù)源自變送器電路中缺少接地符號(hào)——對(duì)于大學(xué)電路課程而言似乎是“具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題”。

為了更好地理解這一電路，圖2中使用了不同于電源接地的變送器接地符號(hào)，以及一些能夠?qū)崿F(xiàn)電路轉(zhuǎn)換功能的電流電壓標(biāo)記。

圖2：典型二線制變送器分析

放大器A1的目的是根據(jù)需要對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保反相輸入和非反相輸入端的輸出相同。這樣一來(lái)，我們可以假設(shè)在正常工作情況下，V+與V-是相同的。由于V-與接地回路相連，V+電位也是零地電位。

因?yàn)閂+為地回路或0V，我們可以很容易地定義流過(guò)R1和R2的電流，如圖2所示。假設(shè)A1為理想放大器，所有電流之和為i1,，其定義為以下公式。

A1驅(qū)動(dòng)BJT Q1，使通過(guò)R4的部分電流與設(shè)計(jì)中所有元件的返回電流形成圖2中注為i2的電流。記住為了符合通用的4-20mA通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中所有元件消耗的電流必須＜4mA。

考慮到R3與R4低側(cè)連接到相同的節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)電阻的高側(cè)連接到A1的輸入端（肯定具有相同的電壓電位），可以推斷出R3與R4的電壓降肯定相同。我們可以據(jù)此計(jì)算i2,的值，如以下公式所示：

很容易得出i2僅僅為i1根據(jù)R3和R4比值決定。這一電流增益非常有用，因?yàn)樗试S有利的DAC和穩(wěn)壓器輸出的高阻抗負(fù)載情況，使得大多數(shù)輸出電流直接來(lái)自回路而非變送器本身。

i1與i2合在一起形成輸出電流，或Iout。下面的公式總結(jié)了這種關(guān)系，簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功能的結(jié)果。

DAC應(yīng)當(dāng)根據(jù)DC的精度選擇，DC精度可以根據(jù)數(shù)據(jù)表中的靜態(tài)指標(biāo)和最低消耗電流得出。比較適合二線制變送器設(shè)計(jì)的DAC有：

DAC8411,DAC8311,DAC7311,DAC6311,DAC5311

DAC8830

DAC7513

DAC8551,DAC7551

放大器選擇應(yīng)當(dāng)首先考慮低輸入失調(diào)電壓和低輸入偏置電流，因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)會(huì)影響理想的轉(zhuǎn)換功能。和選擇DAC一樣，放大器消耗的電流應(yīng)盡可能低。以下是一些較好的選擇：

OPA317

OPA330

OPA333

OPA334

OPA335

在下月的文章中，我們將探討設(shè)計(jì)二線制變送器保護(hù)解決方案。

審核編輯：何安