由于電流信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，目前工業(yè)上廣泛采用4～20mA電流信號(hào)來(lái)傳輸模擬量，所以現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的變送器主要以電流型變送器為主。而根據(jù)電流型變送器所外接線(xiàn)的多少，一般可以把電流型變送器分為電流型三線(xiàn)制變送器和電流型二線(xiàn)制變送器。電流型三線(xiàn)制變送器一般外接三根線(xiàn)，分別是兩根電源線(xiàn)與一根電流輸出線(xiàn)；電流型二線(xiàn)制變送器則一般外接兩根線(xiàn)，兩根均為電源線(xiàn)，電源電流即為所要輸出的電流。電流型三線(xiàn)制變送器存在著很明顯的缺點(diǎn)，其傳輸信號(hào)必須用3根線(xiàn)，且為了降低信號(hào)干擾，通常線(xiàn)纜中還需要加屏蔽線(xiàn)，所以當(dāng)需要進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，其線(xiàn)纜成本較高，且安裝也比較復(fù)雜，這在很大程度上限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。相比之下，電流型二線(xiàn)制變送器只需要用簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)就可以進(jìn)行信號(hào)傳輸，且雙絞線(xiàn)受干擾較小，不需要額外添加屏蔽線(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，電流型二線(xiàn)制變送器相比電流型三線(xiàn)制變送器具有突出的成本優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)階段對(duì)電流型二線(xiàn)制變送器的研究具有重要意義。
　　
　　目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有一些針對(duì)溫度、濕度等物理量的電流型二線(xiàn)制變送器的研究，而針對(duì)光照強(qiáng)度的電流型二線(xiàn)制變送器的研究則相對(duì)較少。由于光照強(qiáng)度與溫度、濕度等物理量之間的差異性，很多時(shí)候不能將針對(duì)溫度濕度等物理量的電流型二線(xiàn)制變送器電路直接應(yīng)用于電流型二線(xiàn)制光照強(qiáng)度變送器上。另外，目前已有設(shè)計(jì)的一些光照強(qiáng)度變送器普遍存在精度不高，線(xiàn)性度不好，性能不夠穩(wěn)定，不能輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)的問(wèn)題。為此，這里設(shè)計(jì)了一種電流型二線(xiàn)制光照強(qiáng)度變送器，其具有精度高、線(xiàn)性度好、功耗低的特點(diǎn)，能夠穩(wěn)定可靠地輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)，從而有效地解決了前面介紹的問(wèn)題。
　　
　　1、變送器系統(tǒng)組成
　　
　　如圖1所示，電流型二線(xiàn)制光照強(qiáng)度變送器電路，其結(jié)構(gòu)主要包括光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路，電壓范圍轉(zhuǎn)換電路，電壓轉(zhuǎn)電流電路，穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路4部分。
　　
　　光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路主要實(shí)現(xiàn)將硅光電池產(chǎn)生的極其微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為后面可處理的0～5V輸出電壓；電壓范圍轉(zhuǎn)換電路則將0～5V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0．4～2V電壓信號(hào)；電壓轉(zhuǎn)電流電路實(shí)現(xiàn)將0．4～2V電壓轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)；穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路則實(shí)際上利用了產(chǎn)生的4～20mA電流為前端光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路、電壓范圍轉(zhuǎn)換電路提供穩(wěn)定的供電電壓，從而能zui大限度減小外接電源供電電壓變動(dòng)對(duì)變送器性能的影響。
　　
　　2、變送器電路設(shè)計(jì)
　　
　　2．1光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路
　　
　　如圖2所示，硅光電池將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為一個(gè)極其微弱的電流，該電流與光照強(qiáng)度成正比。由運(yùn)算放大器UC1同相輸入端與反相輸入端虛斷可知，硅光電池產(chǎn)生的電流主要流經(jīng)反饋電阻R1，這樣就在運(yùn)算放大器UC1輸出端形成輸出電壓，該輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器UC2后進(jìn)行隔離放大，所以在運(yùn)算放大器UC2輸出端可以得到一輸出電壓，該輸出電壓與光照強(qiáng)度成正比。通過(guò)調(diào)整電阻R1、R2、R3阻值可以將輸出電壓調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的0～5V。
　　　　
　　由運(yùn)放的虛短虛斷可知：
　　
　　式中：I為硅光電池產(chǎn)生的電流，V1為輸出電壓。
　　
　　通過(guò)調(diào)整R1、R2、R3的阻值，可以得到標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓為0～5V。
　　
　　2．2電壓范圍轉(zhuǎn)換電路
　　
　　如圖3所示，上述光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)電壓電路得到了標(biāo)準(zhǔn)的0～5V輸出電壓，該電壓通過(guò)運(yùn)算放大器UC3及電阻R4、R5、R6、R7構(gòu)成的同相比例放大電路后可以變換得到0～1．6V電壓。而經(jīng)過(guò)分壓電路，可調(diào)電位器W1的滑動(dòng)端處可以得到一個(gè)電壓，該電壓與前面得到的0～1．6V電壓通過(guò)由運(yùn)算放大器UC4及電阻R9、R10、R11、R12、R13構(gòu)成的同相加法電路后可以在運(yùn)算放大器UC4輸出端得到0．4～2V的電壓。
　　
　　具體公式推導(dǎo)如下：
　　
　　由虛短虛斷可知：
　　
　　選擇合適的R5、R6、R7阻值，可以使得為0～1．6V。
　　
　　由同相求和運(yùn)算電路可知，當(dāng)R9∥R10∥R11=R12∥R13時(shí)，
　　
　　式中：Vref為可調(diào)電位器滑動(dòng)端得到的分壓值。
　　
　　選擇合適的R8、R9、R10、R11、R12、R13阻值以及調(diào)節(jié)可調(diào)電位器，可得Vout2=0．4～2V。2．3電壓轉(zhuǎn)電流電路
　　
　　如圖4所示，仔細(xì)分析可知，運(yùn)算放大器UD1輸出端通過(guò)電阻R17、三極管Q1、電阻R18、電阻R19、電阻R15反饋回運(yùn)算放大器UD1的同相輸入端構(gòu)成了負(fù)反饋支路。由運(yùn)放虛短虛斷的特點(diǎn)可以知道，當(dāng)電阻R14與電阻R15阻值相等時(shí)，電阻R19兩端壓降正好等于電壓范圍轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓0．4～2V，所以如果取R19為100Ω，然后R15>>R19，那么zui終電路中總電流就約等于流經(jīng)電阻R19的電流，即4～20mA。
　　
　　具體公式推導(dǎo)如下：
　　
　　由虛短虛斷可知：
　　
　　取R15遠(yuǎn)大于R19，且取R19=100，則I=4～20mA。
　　
　　2．4穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路
　　
　　如圖5示，電流源使得穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路的輸入電流穩(wěn)定，從而保證其輸出電壓穩(wěn)定，即給前端供電的供電電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管D1將在運(yùn)算放大器UD2正相輸入端產(chǎn)生一個(gè)2．5V的基準(zhǔn)電壓，然后通過(guò)由運(yùn)算放大器UD2、電阻R20、R21構(gòu)成的放大電路對(duì)該基準(zhǔn)電壓進(jìn)行放大，從而在運(yùn)算放大器UD2輸出端得到約12V的電壓。
　　
　　具體公式推導(dǎo)為：
　　
　　由運(yùn)放虛短虛斷可得，
　　
　　因?yàn)閂dd=2．5V，所以選擇合適的電阻R20、R21阻值，就可以得到所要求的輸出電壓值VDD。
　　
　　3、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
　　
　　在上述電流型二線(xiàn)制光照強(qiáng)度變送器電路中，運(yùn)放UC1、UC2、UC3、UC4選用OPA481，運(yùn)放UD1、UD2選用MC33172。運(yùn)放是電路種主要功耗元件，OPA481及MC33172均為高精度低功耗單電源運(yùn)放，選用它們可以zui大限度地提高轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)滿(mǎn)足電路總功耗小于4mA的要求（因?yàn)殡娐酚赏饨与娫垂╇姡敵鰖ui小電流為4mA，電路正常工作前提是電路總功耗必須小于4mA）。另外電流源D3選用LM234，穩(wěn)壓二極管D1選用LM285-2.5，二極管D2選用1N437，三極管Q1可以選用2N3904。一般電阻均選用精度為1％的精密電阻。硅光電池選用南通大華公司生產(chǎn)的SPS3030，該硅光電池轉(zhuǎn)換線(xiàn)性度好，且受溫度影響極小，選用它可以提高變送器電路的轉(zhuǎn)換精度。由于電路中采用了穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路為前端運(yùn)放電路供電，所以能夠zui大限度地減少外接電源電壓波動(dòng)對(duì)變送器電路造成的影響。
　　
　　按照上述電路做好PCB板，然后使用上述所選取元器件搭接電路，當(dāng)光照強(qiáng)度從0～200klux（光照強(qiáng)度單位）變化時(shí)，測(cè)量變送器輸出端電流大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
　　
　　圖6中，橫軸表示光照強(qiáng)度，單位為klux；縱軸表示輸出電流，單位為mA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該電路很好地實(shí)現(xiàn)了將0～200klux光照強(qiáng)度信號(hào)到4～20mA電流信號(hào)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換精度較高（誤差約為1％），線(xiàn)性度好（近似直線(xiàn)），能穩(wěn)定可靠將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出，zui終實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。
　　
　　4、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　文中詳細(xì)介紹了電流型二線(xiàn)制光照強(qiáng)度變送器的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的變送器精度較高、線(xiàn)性度好、功耗低、性能穩(wěn)定，在工業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。