二线制交流电流变送器的设计步骤

基于直流载波的高精度两线制变送器设计作者：王军舰阳威来源：《科教导刊·电子版》2017年第15期摘要本文介绍了基于直流载波的高精度两线制变送器。

先介绍了工业上普遍使用的变送器的接线方法及优缺点，然后提出本设计的方案并对硬件设计进行了详细阐述。

本变送器传感器选择范围宽、成本低、精度高、传输数据稳定、误码率小。

关键词直流载波高精度两线制中图分类号：TH811 文献标识码：A1概述工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度、流量等，通常需要转换成电信号再传输到几百米外的控制室或显示设备上。

这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。

工业上最广泛采用的是用4～20mA电流来传输模拟信号，或用RS485传送数字信号。

电流型变送器将物理量转换成4～20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。

最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器，如图1 a）接法。

当然，电流输出可以与电源共用一根线（共用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器，如图1 b）接法。

在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。

两者之间距离可能数十至数百米。

省去2根导线意味着成本降低，因此在应用中两线制传感器必然是首选。

通常做法如图1 C）接法，变送器和传感器从4～20mA中取电，将其工作电流控制在4mA以下，此处难点在于变送器和传感器工作电流必须限制在4mA以下，很多场合受此限制，传感器精度不高或难以实现。

采用RS485传送数字信号，可以很好的将传感器信号较小误差传送到控制室，因其工作原理决定，必须另外增加2根电源线，如图2接法，不能实现两线制传输信号。

2方案设计有没有一种办法既实现高精度又实现低成本二线制传输呢？答案是肯定的，本文作者设计一种基于直流载波的高精度两线制变送器。

其工作原理如图3所示，变送器将传感器信号统一为数字信号然后调制到直流电源线上，在接收端，再将调制信号解调还原出原始数字信号，在功耗允许条件下多个变送器可以级联，进一步节省成本。

变送器的二线制，三线制，四线制在我们的日常生活和工作中，需要对各种信号进行测量比如电压、电流、温度┅┅等。

由于测量的信号是各种各样、千变万化要对这些繁多的信号进行直接的测量是不可能的，要进行测量该怎么办呢？通常的做法是：首先对于不同的信号通过不同的转换装置把它转换成标准的直流信号，标准的直流信号与测量信号成线性的比例关系，我们把这一标准直流信号称为模拟信号。

也就是变送器的输出信号，它通常是4~20mA、┅┅0~10V等。

只要对不同变送器输出的模拟信号进行测量，就可以知道不同测量信号的值。

我们把这种能够把不同信号变成标准模拟信号的转换装置称为变送器，它主要分为两大类：变换测量信号是电信号的叫电量变送器，另一类统称为非电量变送器。

变送器有输入、输出还要有工作电源也称辅助电源，对于输出和辅助电源接出、接入需要用二对四根导线，能不能保证正常运行的情况下少用一点导线呢，很多情况下是可以实现的，现分别介绍如下：二线制：变送器的输出在4～20毫安时变速器通常可以设计成输出和辅助电源共用一对线。

由于输出和辅助电源使用了两根线我们把这种输出的变送器叫住二线制变送器，变送器输出与辅助电源接线见图1。

对于二线制变送器在输入从0到满度变化的时候，流过电阻R电流是4～20毫安，由于电阻式串在电源的回路中，我们可以这样来认为：当变送器输入从0到满度变化的时候辅助电源的电流是4～20mA变化。

由于变送器对于内部的电路要消耗电源在二线制电路中该指标不得大于4mA，另外变送器的辅助电源必须是直流，否则变送器就无法保证4～20mA的正常输出。

三线制：在现实中有些变送器的变换电路比较复杂其电源的消耗往往会大于4毫安，辅助电源也会有交流供电的情况，有些输出要求从0开始如0~10V等，二线制变送器无法实现，这样就有了三线制输出的变送器，变送器的输出、电源用三根线，它们分别是电源，输出、地也就是变送器输出和电源共地，接线见图2。

四线制：上面的两种变送器辅助电源和变送器输出没有隔离，辅助电源供电过高的时候比如220伏是无法实现二线制；三线制传输的，是就只能回到刚开始的传输方式：辅助爹也用于对一些都好辅助电源用一对线，变送器输出用一对线它们之间是隔离的。

图解压力变送器两线制、三线制、四线制接线方式两线制、三线制、四线制压力变送器接线方式首先，我们先看一下它们的定义两线制：两根线及传输电源又传输信号，也就是传感器输出的负载和电源是串联在一起的，电源是从外部引入的，和负载串联在一起来驱动负载。

三线制：三线制传感器就是电源正端和信号输出的正端分离，但它们共用一个COM端。

四线制：电源两根线，信号两根线。

电源和信号是分开工作的。

几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。

这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。

因此先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号（如电压、电流、等）。

但目前，很多变送器采用二线制。

下面，我们就来具体看看不同线制变送器的差异有哪些？不同线制变送器的差异一、两线制要实现两线制变送器，必须要同时满足以下条件：1. V≤Emin-ImaxRLmax变送器的输出端电压V等于规定的低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。

2. I≤Imin变送器的正常工作电流I必须小于或等于变送器的输出电流。

3. P＜Imin(Emin-IminRLmax)变送器的小消耗功率P不能超过上式，通常＜90mW。

式中：Emin=低电源电压，对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%为24V电源允许的负向变化量；Imax=20mA；Imin=4mA；RLmax=250Ω+传输导线电阻。

如果压力变送器在设计上满足了上述的三个条件，就可实现两线制传输。

所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。

两线制变送器由于信号起点电流为4mA DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。

而且两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。

FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器16种接线图1．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器基本接线图(工作电源在内部)。

（两线制4～20mA输出系列产品）2．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器基本接线图(工作电源在外部) （两线制4～20mA输出系列产品）3．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器基本接线图(工作电源在配电柜内)（两线制4～20mA输出系列产品）4．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器基本接线图(采用两芯屏蔽线) （两线制4～20mA输出系列产品）5．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器接线图(采用3芯屏蔽线3线制接线法)（两线制4～20mA输出系列产品）6．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器接线图(外挂数显表接线法) （两线制4～20mA输出系列产品）7．在使用昂贵的A／D输入接口上并联一只型号为P6KE6.2A或P6KE6.8ATVS的瞬态干扰抑制器是非常必要的保护措施（两线制4～20mA输出系列产品） 瞬态干扰抑制器链接：8．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图(工作电源+24V由控制柜内供给的两线制接线图纸)（两线制4～20mA输出系列产品）9．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图(工作电源+24V由DCS接口内部供给的两线制接线图纸 )（两线制4～20mA输出系列产品）10．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图(需带动)载现场执行器的三线制接线图纸)（两线制4～20mA输出系列产品）11．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图(需带动负载现场执行器的两线制接线图纸)（两线制4～20mA输出系列产品）12．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图(N路变送器共用+24V工作电源由控制柜内供给的两线制接线图纸)（两线制4～20mA输出系列产品）13．FZ系列穿孔穿芯一体化交流电流变送器在智能化监控柜的接线图（N路变送器共用+24V工作电源由DCS接口内部供给的两线制接线图纸)（两线制4～20mA输出系列产品）14．传统控制柜配电柜改造成智能化控制柜配电柜,可以在原有的电力互感器二次5A回采用ＦＺ９－５Ａ／４－２０（两线制）或ＦＺ９－6Ａ／４－２０（两线制）穿孔穿芯一体化交流电流变送器1只。

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。

机电一体化技术（航空电气方向）专业《检测技术及仪表》形成性考核作业册姓名_________________学号_________________分校_ _ _ __信息技术与机电工程系2013年9月《检测技术及仪表》形成性考试作业一成绩__________教师签名__________日期__________第1章绪论思考题与习题1-1.单项选择题1）用万用表交流电压档(频率上限仅为5kHz)测量频率高达100kHz、10V左右的高频电压，发现示值还不到2V，该误差属于 B 。

用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为 1.7V，该误差属于 A 。

A.系统误差B.粗大误差C.随机误差D.动态误差1-2. 指出下列情况哪些属于随机误差，哪些属于系统误差，或两者皆有？1）电压表刻度不均匀；2）米尺因温度改变而伸缩；3）天平未调水平；4）游标卡尺零点不准；5）电子秤内部温度与环境不一致产生温漂；6）加热丝的电阻随温度变化对恒温器温度带来的误差；7）电压表视差；8）电桥检流计的零点漂移；9）欧姆表的接触电阻；10）电网电压的变化对恒温器加热功率带来的误差。

答：1、系统；2、系统；3、系统；4、系统；5、系统+随机；6、系统；7、随机；8、系统；9、系统+随机；10、随机。

1-3. 某压力表准确度为 2.5级，量程为0～1.5MPa，求：1）可能出现的最大满度相对误差γm。

2）可能出现的最大绝对误差△m为多少千帕？3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。

答：1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm=±2.5%2）△m=γmAm=±2.5%×1.5Mpa=±0.0375Mpa=±37.5kPa3）γx=△m×100%/Ax=±0.0375×100%/0.70=±5.36%1-4. 现有准确度为0.5级的0～300℃的和准确度为 1.0级的0～100℃的两个温度计，要测量80℃的温度，试问采用哪一个温度计好？答：经计算，用0.5级表以及1.0级表测量时，可能出现的最大示值相对误差分别为±1.88%和±1.25%。

二线制变送器工作原理二线制变送器是一种工业测量仪表，它能够将各种物理量（如温度、压力、流量、液位等）转换成标准的4-20mA电流信号输出，以便于远程监控和控制。

其工作原理主要包括以下几个步骤：1. **测量传感器**：变送器内部含有一个测量传感器，用于检测被测物理量的变化。

例如，温度传感器会检测温度的变化，压力传感器会检测压力的变化。

2. **信号调理**：传感器输出的原始信号通常很微弱，并且可能是非线性的。

变送器中的信号调理电路会对这些信号进行放大、线性化处理，使之成为可以被后续电路处理的标准信号。

3. **模数转换**（对于数字式变送器）：如果变送器是数字式的，那么经过调理的模拟信号会被转换成数字信号，以便于数字处理和传输。

4. **V/I转换**：调理后的信号（模拟或数字）会被送入V/I转换器。

V/I转换器的作用是将电压或数字信号转换为4-20mA的电流信号。

这个电流信号范围是工业标准，其中4mA代表测量量的最小值，20mA代表最大值，中间值则对应于测量量的线性变化。

5. **电源供应**：二线制变送器的独特之处在于它使用同一对导线既传输电源又传输信号。

变送器内部会从这对导线中提取所需的工作电压（通常是24V DC），并为传感器和电路提供能量。

由于变送器的功耗设计得非常低，即使在输出最小值电流4mA时，也能保证变送器正常工作。

6. **输出信号传输**：经过V/I转换后的电流信号通过两线制的电缆传输到控制系统或显示仪表。

由于电流信号不受线路电阻的影响，因此可以在较长的距离上保持信号的稳定性和准确性。

7. **用户接口**：变送器通常还会配备用户接口，允许用户进行校准、设置和诊断。

二线制变送器因其简单的接线方式、稳定的传输性能和易于集成到现有工业控制系统中，而广泛应用于各种工业自动化场合。

1本设计的任务及概况1.1设计意义工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。

这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。

工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。

并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。

它将电压信号变换为标准的电流信号从环路一端传送到另一端，可实现长距离通讯，且不易受干扰，因而在工业现场中得到广泛的应用，特别是在传感和测量应用方面。

1.2设计概况变送器是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件，或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源根据需要还可将模拟量变换为数字量。

电流变送器主要采用V- I变换器来设计，将电压信号变换成电流信号目前，市面上有集成电流变送IC供工程师使用，如TI 的XTR 系列ADI 的AD694、Analog Microelectronics的AM462等不过相对来说，这些IC的成本较高，因此，在工业上，对于成本要求严格的电路设计，用集成运放来自定义设计电流变送器是一个不错的选择。

根据题目要求，经过分析及论证，将整个系统分为：信号变送器、信号接收器、信号发生器三个部分。

2设计任务电流变送器要求如下：（1）设计制作二线式电流型变送器控制的正弦信号发生器，1000Ω~2000Ω对应的电流输出为4~20mA，变换精度优于0.5%，变换非线性度优于1%，输出传输线的长度不小于1m。

信号发生部分要求能够将输入电流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为1Ω；（2）设计并制作正弦信流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为1Ω；（3）设计并制作正弦信号发生器，当输入的可调电阻值大于1500Ω时，信号发生器输出一固定频率的正弦信号，该信号频率和电阻箱阻值相同，误差不大于0.1％，电阻值低于该值时信号发生器停止工作；（4）设计并制作变送器和信号发生部分所需的电源。

[传感器仪表类]自制4~20mA电流信号发生器(原创)许多网友发信请求提供自制低成本，适应多种电源的精度0.5级的4~20mA电流信号发生器电路，用来自制。

根据实际情况本人将以前设计的二线制交流电流变送器电路稍作修改修改后，提供给大家进行自制。

具体的电路分析请参照“老信”的博客里的“二线制交流电流变送器的设计步骤”一文。

more.asp?name=xinjihua&id=37299经过实际测试，在电流输出20mA时，电路内部压降为7V左右。

在12V电源时，输出带负载能力为250欧姆。

在24V电源时，输出带负载能力大于750欧姆。

精度等级0.5级。

欢迎大家将实际制作过程反馈至本人博客文章里的留言里，供大家参考。

同时欢迎提供更好的电路供大家交流提高。

实际测量结果实际测量结果工作电压12V 18V 24V理论输出电流4mA 20mA 4mA 20mA 4mA 20mA 负载电阻250Ω250Ω250Ω250Ω250Ω250Ω负载电压0.984V 4.981V 1.000V 5.000V 1.015V 5.014V实际输出电流 3.936mA 19.924mA 4.000mA 20.000mA 4.060mA 20.056mA实验条件：在工作电压18V时，调整好电路后，不在调整内部任何调整元件！仅在改变工作电压后，调整给定电位器在最小位置和最大位置，实际测量输出电流的变化情况，依此观察电路的恒流特性。

至于实际的精度误差请网友们自己计算。

当网友们自制时，一旦确定工作电压后，在固定的工作电压下，确定负载电阻值后，进行输出电流的零点值和满度值调整后，该电路的精度可以达到0.1级。

注意电路中的R8的阻值为3K.此图是变通应用时的图纸，忘记更改R8的数据了。

AD580JH2SD880。

二线制、三线制和四线制传感器（变送器）简介一、定义两线制传感器（变送器）：传感器（变送器）仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

三线制传感器（变送器）：传感器（变送器）仅用三根导线，一根正电源线，一根信号线，另一根信号线与负电源线（GND）共用。

四线制传感器（变送器）：传感器（变送器）用四根导线，两根电源线，两根独立信号线。

二、三者的区别三者的工作原理不同。

两线制传感器（变送器）一般是电流型（4-20mA），信号是以电流的形式传输，抗干扰能力相比电压型输出型较高。

三线制传感器（变送器）和四线制传感器（变送器）既可以是电流型，也可以是电压型，但多为电压型。

四线制传感器（变送器），其供电大多为AC 220V，少数供电为DC 24V。

由于三者的工作原理不同，因此三者的接线方式各不一样。

图1 两线制传感器（变送器）的接线示意图图2 三线制传感器（变送器）的接线示意图图3 四线制传感器（变送器）的接线示意图三、总结1．电压型传感器（变送器）输出信号是电压信号，电压信号容易受电磁干扰。

特别是传输的距离较远时，信号失真度较大。

2．电流型传感器（变送器）输出信号是电流信号，而电流信号抗干扰能力较电压信号强。

3．两线制电流变送器具有低失调电压（<30μV）、低电压漂移（<0.7μV/C°）、超低非线性度（<0.01%）的特点。

测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输。

4．两线制4-20mA电流输出型传感器（变送器）的信号线断线时，用万用表的电压档测量电压为DC 24V。

其负载为250Ω时：被测量为最小值时，电压为DC 23V；被测量为最大值时，电压为DC 19V。

5．三线制4-20mA电流输出型传感器（变送器）的信号线断线时，用万用表的电压档测量电压为DC 24V。

其负载为250Ω时：被测量为最小值时，电压为DC 1V；被测量为最大值时，电压为DC 5V。

以一个二线制变送器的基本原理图来分析：
在V/I 转换电路中，OP1输出一个小电流给Q1基极I b ，在Q1的集电极有Ic 通过Re 、Rs 流回24V 电源的负极，这个电流在4mA ～20mA 之间，4 mA 以下的电流为传感器及调理电路、OP1、OP2、U1、R5等建立电路基本工作状态而消耗的电流。

当输出线路上阻抗增大或减小，即线路长短不同或不同阻抗的显示仪表变换时，引起Q1的集电极c 和发射极e 间的电阻值发生变化，相当于一个可变电阻，Rx 增大，Q1的c 极和e 极之间的电阻减小，Rx 减小，Q1的c 极和e 极之间的电阻就增大，从而导致c 、e 之间的电压随之变化，Rx 变化引起的负载压降的变化消化在Q1的c 、e 极之间的电压变化上，从而使Q1的Ic 电流不发生变化，保证了测量的精度不受影响。

理想恒流源的内阻为无限大，外电路电阻在一定范围变化时，与恒流源内阻相比，可忽略不计。

由于二线制变送器所带的负载电阻在一定范围内变化时，不会引起变送器输出电流的变化，所以可以类似认为是采用了恒流源技术。

在24V 电源电压下，4～20mA 电流的变化是调理电路输出控制的结果。

这是本人对此电路的粗略理解，不对的地方请大家指正。

Ib
e
Rx
Ic ：4～20mA ：
C。

二线制变送器的电路设计【摘要】本文通过实际的电路设计，对二线制仪表设计的重点部分，电源设计和电流环电路设计，提供了详尽的解决方案和实用电路设计，通过新型微功耗器件TLC5615/MAX409A的应用，为二线制4-20mA电流环输出电路的设计，提供一种高精度、超低功耗的设计电路。

【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗1.引言二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。

由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。

同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。

同时二线制变送器具有布线简单的特点。

由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。

2.二线制变送器系统方框图如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V 精密电源，为整个系统供电。

主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。

两线制变送器工作原理
两线制变送器是一种将输入信号转换为两个值的设备。

它的工作原理是将输入信号分为两个电平，通常是高电平和低电平，然后通过两根线路传输这些信号。

在两线制变送器中，通常使用的是一对可以通过电压或电流来表示不同状态的信号线。

一般来说，高电平或电流表示一个状态，低电平或电流表示另一个状态。

变送器的任务是在输入信号改变时，相应地改变输出信号。

两线制变送器通常包含三个主要部分：输入电路、编码器和输出电路。

输入电路负责接收输入信号，并将其转换为数字信号。

编码器将数字信号转换为高电平或低电平的形式，并将其发送到输出电路进行传输。

输出电路负责接收并传输编码后的信号。

在使用两线制变送器时，发送端通常将输入信号转换为数字信号，并将其编码成高电平或低电平。

接收端则会接收编码后的信号，并将其解码回原始信号。

总的来说，两线制变送器工作原理是通过将输入信号转换为数字信号，并将其编码成高低电平来实现信号传输。

1、为什么使用4-20mA电流环在远距离、复杂的工业现场，常常需把远距离之外的信号采集回来，通常需要考虑几个问题：（1）如果直接将采集的电压信号通过长线传输，信号在传输线上会受到噪声干扰；（2）超长的导线上会有不少压降，影响传输精度；（3）如何为远端的采样电路提供电源，是个棘手的问题。

为了解决上述问题，我们可以使用电流来传输信号，4-20mA电流环就是应用于这一场景的标准。

我们看看电流传输是如何解决上述问题的：（1）如果传输电流信号，接收端的阻抗可以很小，所以噪声干扰不容易耦合进来；（2）电流信号在整个环路上任何一个地方测量都是一样的，再长的线也不会有精度损失；（3）使用电流传输，远端可以通过传输线上的电流取电，不用额外提供电源。

4-20mA电流环在结构上，一般由两部分组成，即变送器和接收器。

变送器一般位于远端，直接获取现场的传感器信号；而接收器一般位于计算机端，用于采集、存储信号。

4mA表示零信号，20mA表示满量程信号，4~20mA就能表示出一个模拟量。

之所以不采用0mA作为零信号，是因为如果传输线断开，那么接收端可能错误地认为变送器在一直发送零信号；另一方面，传输线上保持一直有电流，则使得变送器从信号线上取电成为可能，这就是2线制电流环的设计理论基础。

4-20mA电流环有两种类型：2线制、3线制，下面分别介绍一下它们的原理。

2、3线制电流环工作原理先讲容易理解的3线制电流环。

如下图所示，图中箭头为电流方向，红色为4-20mA电流信号线。

接收器和变送器之间有3根线，其中有两根是VCC和GND，用于接收器给变送器供电；还有一根就是用来传输4-20mA电流信号的。

变送器端通过VCC和GND获取电源，在采集了传感器信号后，将信号转为4-20mA的电流信号，传输回接收端，接收端用电阻采样即可。

3、2线制电流环工作原理基本原理如下图所示，图中箭头为电流方向，红色为4-20mA电流信号线。

二线制4-20mA电流环，变送器和接收器之间只有两根线连接，这一对线既是信号传输线，也是接收端为远端变送器提供电源的供电线。

两线制4/20mA变送器的电路设计两线制4/20mA变送器的电路设计工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。

这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。

工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。

并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。

上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。

下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。

常取2mA作为断线报警值。

电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。

最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。

当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。

其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。

变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。

显示仪表只需要串在电路中即可。

这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。

工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。

这使得两线制传感器的设计成为可能。

在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。

两者之间距离可能数十至数百米。

按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。

2. 两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。

如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。

因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。

二线制变送器的制作方法二线制变送器是一种广泛应用于工业自动化掌控系统中的仪表设备，它的重要功能是将传感器所采集到的模拟量信号转换为标准的二线制信号输出给上位机进行处理。

在本文中，我们将介绍二线制变送器的制作方法，包括硬件电路设计、PCB布局及制作、软件算法实现等方面的内容。

1. 硬件电路设计二线制变送器的核心部件是模拟信号转换芯片和数字信号输出芯片。

模拟信号转换芯片通常采纳AD转换器，将传感器输出的模拟量信号转换为数字量信号，然后经过一系列运算、放大和滤波等处理，最后得到高精度、稳定的电压输出信号。

数字信号输出芯片则负责将模拟信号转换后得到的电压输出信号进行处理，生成标准的二线制信号，并通过输出端口输出到上位机中进行处理。

硬件电路设计需要考虑到信号的传输质量和稳定性，以及某些特别场合需要充足的防爆、防静电等要求。

因此，电路板的材料、电路元件的选型、布局方式等都需要认真考虑与设计。

2. PCB布局及制作PCB的设计是将电路方案转化为PCB制成图的过程，设计好的电路图文件可以通过PCB制做软件进行处理，实现PCB的布局、线路连接、元件贴装等操作。

在PCB的设计过程中，需要依据电路多而杂度、元件密度、性能要求等因素综合考虑，合理选择PCB板坯、布线策略和元件包型等参数进行设计。

制作PCB板的步骤重要分为三个部分：前期准备、制版、钻孔。

首先需要将电路板的大致外形和元器件的位置、尺寸等在软件中表示出来，绘制好板坯轮廓及元件安装孔、螺钉孔等，在制版过程中依照布线规范、器件封装、通孔类型等进行设计，尤其是需要注意天线相关领域的要求。

3. 软件算法实现为了保证二线制变送器的稳定性和牢靠性，通常需要在芯片上实现一些算法和掌控策略，以进行信号运算、滤波、放大、调整等处理。

这些算法的实现一般需要使用C语言，利用芯片自带的编译器进行编译和下载，实现芯片内部的操作。

该部分重要需要考虑到程序的安全、高效性、可扩展性等，编程工具型号有很多，通常我们可以依据需要来选择相对应的编译器或集成开发环境，例如Keil、IAR等等。

两线制、三线制及四线制接法详解前面两期内容主要介绍了模拟量的输入及输出数据处理，对于变送器和执行器件如何与模拟量模块接线这一块内容没有深入讲解，故本期内容重点介绍它们之间的接法，还是以西门子模拟量模块EM235为例。

一、两线制、三线制及四线制差异要完成两线制变送器需要一起满意以下条件:1.规定的最低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻压降要等于变送器的输出电压。

2.变送器的正常作业电流有必要小于或等于变送器的输出电流。

3.变送器的最小耗费功率P一般＜90mW。

如果变送器在设计时满足上述的条件，即可完成两线制传输。

a.两线制二线制信号是指仪表等设备本身只有两根外接线，设备的工作电源由信号线提供，即其中一根线接电源，另一根线是信号输出。

一些非电动单元组合的仪表，如机械量、电量、在线剖析等仪表，因为其电路功耗大、变换复杂，难于完全满足上文提到的三个条件，故无法用两线制实现，需要采用四线制变送器，外接电源的方式输出为电流信号。

b.四线制四线制信号是指仪表等设备本身外接供电电源（大多为交流220V，也有供电为直流24V的），同时有信号+、信号-两根信号线输出。

为了减小变送器的重量和体积，同时为了提高抗干扰能力、优化接线等因素，把变送器的交流220V供电改为直流供电24，因此供电就为负线共用，这样也就有了三线制的变送器的由来。

c.三线制变送器本身外接一根正电源线（V+）。

输出两根信号线(OUT和0V)，其中一根信号线与电源线通常情况是共负端的。

几线制的选择往往是根据测量精度进行选择的，通常来说，接线越多，其测量精度越高，但对于用户来讲，变送器选型需根据本单位的实际情况考虑，如防爆需求、出资预算、信号制的一致和接纳设备的需求等疑问来挑选。

为了更好的理解上文所提到的各线制的原理图接线方法，下面引入西门子模拟量模块EM235来讲解。

二、EM235硬件接线从上图可得知：1.直接接线方式a.当输入的模拟量为电压信号；b.模拟量的输出（电压，电流）。