1、二線制交流電流變送器的設(shè)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(xué)校門的大學(xué)生們，在進(jìn)行電路設(shè)計時，面對新的項目，無法下手，不知道具體的設(shè)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(shè)計思路。但本人的答復(fù)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(fù)，一是 擔(dān)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(hù)知識產(chǎn)權(quán)”。知識產(chǎn)權(quán)是有時效性的！過分強(qiáng)調(diào)保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，對于整個社會的發(fā)展是

2、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(jì)利益吧？在這里提醒大家一下，任何項目，從設(shè)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(dú)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(guān)，最終的成功必定是- 一個集體智慧的結(jié)晶！為了向大家提供一個具體的設(shè)計思路，這里將本人十年前設(shè)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(jìn)行設(shè)計項目時起到一點引導(dǎo)作用。同時也希望專家學(xué)者給本人提出批評指導(dǎo)意見。二線制交流電流變送器的設(shè)計步驟已知大電流電流互感器均將不同的電流轉(zhuǎn)換成05A的交流電流進(jìn)行

3、現(xiàn)場顯示。 而進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送時，必須將該電流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號420mA，才能進(jìn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)直流電流信號420mA遠(yuǎn)傳至控制室顯示或進(jìn)入計算機(jī)內(nèi)處理后在顯示器畫面上顯示。設(shè)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。3，完善系統(tǒng)保護(hù)措施，增加儀表的可靠性。，互感器的選擇電流互感器

4、是一種交流電流 /電流變換器，當(dāng)初級流過交流電流時，次級線圈則對應(yīng)其變比產(chǎn)生交流電流。再通過負(fù)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(fù)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(fù)載電阻為標(biāo)準(zhǔn)系列電阻。選RL=1K Q o （見圖一）例如：輸入信號電壓選 2.5V o匸V/R=2.5V/1000 Q =0.0025A=2.5mA已知:交流電流輸入為05A ,則變比為：5A/0.0025A=2000即 1:2000所以，當(dāng)電流互感器初級電流為05A變化時，次級負(fù)載電阻兩端

5、的電壓為02.5Vo選擇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(fù)載電阻選擇為RL=1.2K Q即可。V=I X R=0.0025A X 1.2K Q =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(jìn)行放大后再進(jìn)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(jìn)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，變送器無法線性輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號。原因是晶體二極管的正向電壓降在 0.50.7

6、V左右，當(dāng)互感器輸入電流w1A時，次級負(fù)載電阻兩端的電壓為w 0.5V，此時晶體二極管無法導(dǎo)通！我們利用運(yùn)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(yùn)算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。 D1 串接于運(yùn)算 放大器 N1 的輸出端，并且從 D1 的陰極開始進(jìn)行反饋。 R2 是串聯(lián)的輸入電阻 Ri， R3 是 反饋電阻 Rf 。既然不需要進(jìn)行放大，所以選擇 R3=R2。通常選擇通用運(yùn)算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇

7、 R2=R3=10K Q 51K Q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(fù)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(fù)值A(chǔ)=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(shè)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(wù)。 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= V (C1/C2)/2= > 0.707為了使Q=> 0.707左右，C1, C2必須建立的關(guān)系為C1=4Q 平方 X C2=2C2同時電路必須滿足以下關(guān)系Ro=R2=R3Co=1/(2n X fL X Ro)C1=1.4CoC2=0.7CofL=1/(2 n X CoX Ro)式中Ro輸出等效電阻Co輸出等效電容fL低通截止頻率2n2X 3.14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

9、順利傳輸，合理的選擇低通濾波器的截止頻率至關(guān)重要。通?？紤]截止頻率為工頻的1/101/20以下，這里選擇w 25Hz。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 n X CoX Ro) 選擇fL= (25) HzRo=R2=R3=51KQCo=1/(2n X fL X Ro) =1/(6.28X(25) X 51000) =(0.6241.56)卩 FC1=1.4Co=(0.8472.184)卩 FC2=0.7Co=(0.4371.092)卩 F由于電容器的規(guī)格容量標(biāo)稱值有一定的限制，這里選擇容量接近的標(biāo)稱

10、容 量的電容器進(jìn)行配組：第一組：C1=0.847卩F 選1卩F C2=0.437 卩 F選 0.47 卩 F第二組：C1=2.184卩F 選2.2卩FC2=1.092 卩 F選 1卩 F驗證：第一組：Co=C1/1.4=0.714 卩 FCo=C2/0.7=0.671y F第二組：Co=C1/1.4=1.571y FCo=C2/0.7=1.429 卩 F根據(jù) Co=1/(2n X fL X Ro)=1/(6.28X( 25)X 51000) =(0.6241.56)卩 F在截止頻率為25Hz范圍內(nèi)，Co=(0.6241.56)卩F時，第一組按最高截止頻率計算，取 Co=0.671卩F第二組按最

11、低截止頻率計算，取 Co=1.571卩F驗證：根據(jù)公式 fL=1/(2 n X CoX Ro)第一組：fL=1/(2 n X CoX Ro)=1/(6.28X 0.671 X 51000X 10 負(fù) 6 次方)=4.653Hz第二組：fL=1/(2 n X CoX Ro)=1/(6.28X 1.571 X 51000X 10 負(fù) 6 次方)=1.987Hz基本滿足設(shè)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= V (C1/C2)/2= V (1/0.47)/2= V 2.128/2=0.7296 第二組：Q= V (C1/C2)/2= V (

12、2.2/1)/2= V 2.2/2=0.7416 均0.707,可以認(rèn)為成立。二線制交流電流變送器的設(shè)計步驟（三）低通濾波器電路元件配型對應(yīng)的截止頻率表電阻值RoC1 =1 卩 F C2=0.47 卩 FC1=2.2 卩 FC2=1 卩 F30K Q3.379Hz33K Q3.071Hz36K Q2.687Hz39K Q2.599Hz43K Q2.357Hz47K Q2.157Hz51K Q4.653Hz1.987Hz56K Q4.238Hz62K Q3.828Hz68K Q3.490Hz75K Q3.164Hz82K Q2.894Hz91K Q2.608Hz100K Q2.373Hz110K

13、 Q2.158Hz120K Q1.978HzQ值0.7070.72960.7416二線制交流電流變送器的設(shè)計步驟（四）四，基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電流信號的零位基準(zhǔn)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?zhǔn)電壓電路采用 TL431組成2.5V的基準(zhǔn)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。考慮二線制儀表的靜態(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

14、于運(yùn)算放大器準(zhǔn)備選用LM124四運(yùn)放，LM124的靜態(tài)電流約為1.7mA左右。所以，選擇基準(zhǔn)電 壓電路TL431的偏置電流為1.3mA左右。根據(jù)公式Rset= （67.7 X 10負(fù)3次方）/I=（67.7 X 10 負(fù) 3 次方）/（1.3 X 10 負(fù) 3 次方）=52 Q選標(biāo)稱電阻值51 Q。驗證：1= （ 67.7X 10 負(fù) 3 次方）/ Rset=（67.7 X 10 負(fù) 3 次方）/ 51 Q=0.00133A=1.33 mA基本滿足設(shè)計要求。圖四J基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與加法器電路見(圖四)-LPI33451 Ohm3 k Otim-A/7V01 uF-/5o%r|Rn 0 k Ohm

15、/50%3 kOhmWV+0"2.5V/DC+2.5V51 kOhm-WV-RJ/100 kOhm/50%L4311/4 LJM124-0. 口龍八0, S67V/DC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(+02.5V)Vi2系統(tǒng)零點基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電壓(+02.5V )RF加法器反饋電阻(3K Q )Rf1前級信號輸入電阻(3K Q +010K Q )Rf2基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電壓信號的輸入電阻(51K Q )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

16、=-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(yīng)用調(diào)試時，當(dāng)沒有交流電流輸入時，調(diào)整系統(tǒng)零點調(diào)節(jié)電位器(0100K Q )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左右。當(dāng)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。當(dāng)然這里只是引導(dǎo)大家分步驟分析了解電路的設(shè)計步驟時所采用的方法。而在系統(tǒng)實際應(yīng)用調(diào)試時，則利用監(jiān)測輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號來調(diào)節(jié)零點和量程電位器。運(yùn)算放大

17、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(jìn)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(shè)計步驟(五)五，電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的選擇由運(yùn)算放大器組成恒流輸出電路，晶體三極管進(jìn)行擴(kuò)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=10K Q。此時電阻兩端的電壓嚴(yán)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）/5仁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

18、.8217+3=3.8220mA適當(dāng)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(fù)載是長電纜，為了避免電路產(chǎn)生振蕩，在運(yùn)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卩F）。具體電路見（圖五）。六，輔助電源的選擇為了滿足運(yùn)算放大器工作時處理負(fù)電壓信號，必須給系統(tǒng)提供相應(yīng)的 正，負(fù)工作電壓。所以在系統(tǒng)共用端與電源負(fù)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(yùn)算放大器的負(fù)電源。同時將運(yùn)算放大器的負(fù)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(yùn)算放大

19、器得到了正，負(fù)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(hù)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(hù)電路。當(dāng)電源極性正確是，發(fā)光二極管發(fā)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(shè)計步驟（七）元件裝配示意圖:裝配完成圖:外形圖:試驗報告技術(shù)監(jiān)督:審核人:檢驗人*2空二線制交流電流變送器賣驗報告1變送器技術(shù)要輸入信號|輸出信

20、號|喩載;電陽耕度疋源電壓傳輸力o5A4 2()ni AW5MQ0524V D(二線制變送器編號：(半精度：0.5級 實驗日期 2聽丁 年，丄月丄實驗內(nèi)容()0 W/O.1/7T24-A交流建輸入交流電流(A)O人2乃Jr/。標(biāo)準(zhǔn)電流輸出(mA)8.“?！?00戶二。理論值實際電流輸出(mA)弟78.o門”6DT930F+ 數(shù)字;實際電流輸出()“0/丄上“7刃715電壓/電流,500 0負(fù)載電壓(V)/刖幺?！?6.”廠VC980+ 數(shù)字 7精度誤差()。、葉8"護(hù)。6宀30.0/6仇。60$7變送器編號：精度：0.5級實驗日期xr 年八月x實驗內(nèi)容()0xTf2.1T24-A交流電輸入交流電流(A)Q/»Zror標(biāo)準(zhǔn)電流輸岀(mA)幺go孫a/2q理論值實際電流輸出(mA)DT930F+數(shù)字萬實陋電流輸岀()丄皿"737/0715電壓/電流校250 Q負(fù)載電壓(V)(s片1> 0 丫 VC980+數(shù)字力1精度誤差()478"6b60“6葉 6b.o 艸實驗儀器生產(chǎn)廠家梢度出廠編號備注T24-A交流電流表上海第二電表廠0.2230. 16715電壓/電流校驗儀美國FIJKE公司0