如何设计二线制变送器

在工业DAC系列的上一篇文章中，我们探讨了如何创建和保护三线制工业模拟输出。今天，我们将转而研究二线制模拟输出。

图1：典型二线制变送器简图

图1为设计二线制模拟输出最常用方法的简化电路图。对于许多模拟工程师而言，二线制方法比三线制和四线制更难于理解。理解二线制电路的困难大多数源自变送器电路中缺少接地符号——对于大学电路课程而言似乎是“具有挑战性的问题”。

为了更好地理解这一电路，图2中使用了不同于电源接地的变送器接地符号，以及一些能够实现电路转换功能的电流电压标记。

图2：典型二线制变送器分析

放大器A1的目的是根据需要对输出进行调节，确保反相输入和非反相输入端的输出相同。这样一来，我们可以假设在正常工作情况下，V+与V-是相同的。由于V-与接地回路相连，V+电位也是零地电位。

因为V+为地回路或0V，我们可以很容易地定义流过R1和R2的电流，如图2所示。假设A1为理想放大器，所有电流之和为i1,，其定义为以下公式。

A1驱动BJT Q1，使通过R4的部分电流与设计中所有元件的返回电流形成图2中注为i2的电流。记住为了符合通用的4-20mA通信标准，设计中所有元件消耗的电流必须＜4mA。

考虑到R3与R4低侧连接到相同的节点，而每个电阻的高侧连接到A1的输入端（肯定具有相同的电压电位），可以推断出R3与R4的电压降肯定相同。我们可以据此计算 i2, 的值，如以下公式所示：

很容易得出i2仅仅为i1根据R3和R4比值决定。这一电流增益非常有用，因为它允许有利的DAC和稳压器输出的高阻抗负载情况，使得大多数输出电流直接来自回路而非变送器本身。

i1与i2合在一起形成输出电流，或Iout。下面的公式总结了这种关系，简化了实现系统转换功能的结果。

DAC应当根据DC的精度选择，DC精度可以根据数据表中的静态指标和最低消耗电流得出。比较适合二线制变送器设计的DAC有：

DAC8411, DAC8311, DAC7311, DAC6311, DAC5311

DAC8830

DAC7513

DAC8551, DAC7551

放大器选择应当首先考虑低输入失调电压和低输入偏置电流，因为这两个参数会影响理想的转换功能。和选择DAC一样，放大器消耗的电流应尽可能低。以下是一些较好的选择：

OPA317

OPA330

OPA333

OPA334

OPA335

在下月的文章中，我们将探讨设计二线制变送器保护解决方案。

审核编辑：何安