CN103560778B - 一种两线制信号隔离传输电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两线制信号隔离传输电路，其包括相互独立的隔离式开关电源电路和信号隔离转换电路，并设有第一端子和第二端子，信号隔离转换电路由信号隔离传输电路和信号转换电路组成；隔离式开关电源电路独立将由第一、第二端子输入的能量隔离传输给传感器，信号隔离传输电路独立将传感器输出信号隔离传输给信号转换电路，并且隔离式开关电源电路的用于向传感器供电的配电端与信号隔离传输电路的用于接收传感器输出信号的输入端共地，信号转换电路将传感器输出信号转换成电流后，经第一、第二端子向两根传输线输出，使两根传输线流过受传感器输出信号控制的电流。本发明具有信号隔离转换精度高、可以根据需要设计配电输出电流和电压的优点。

Description

一种两线制信号隔离传输电路

技术领域

本发明涉及一种两线制信号隔离传输电路。

背景技术

在工业上应用的信号检测和控制系统中，经常需要进行检测现场到控制设备的远距离信号传输。现有的信号传输方式一般有两线制、三线制和四线制信号传输方式。四线制采用信号和电源分开传输即两根线传输电源，两根线传输信号。三线制也是采用信号和电源分开传输但是信号端口和电源端口共地线，因此只要三根线即可传输电源和信号。两线制则采用两根线同时传输信号和电源能量。在进行远距离信号传输的应用中由于两线制传输方式只需要两根传输线，比其他传输方式节省信号传输材料，因此得到广泛应用。

两线制传输方式之所以可以用两根线同时传输电源和信号，是因为在远距离信号传输应用中传输的标准信号类型为4～20mA的电流信号。两线制信号传输系统如图1所示。这里将两根两线制信号传输线上的电压差称为两线制信号电压。将两线制信号线上传输的电流称为两线制信号电流。两线制转换器根据传感器的信号调节两线制转换器在两线制信号线上的负载，从而调节了两线制信号电流，实现了电流信号从两线制转换器到控制系统的传输。由于控制系统通过信号线同时向两线制转换器传输了电压和电流，也就等于传输了能量。由于传输的信号电流最小为4mA，在提高两线制信号电压的情况下就可以提高控制系统传输到两线制转化器里的能量。当这个最小的能量满足了两线制转换器的供能需求时就实现了电源传输。

目前常用的两线制转换器是采用TI的XTR115和XTR116或者是他们的分立元器件自搭方案。XTR115和XTR116的内部电路示意图如图2所示。该电路可以实现传感器和两线制信号传输电路之间的信号和能量转换。由于两线制应用于工业现场的远距离信号传输，应用环境中存在静电等各种不缺定的电击风险。因此在传输接口上一般需要进行电气隔离处理。在控制系统端口由于有控制系统直接供电，因此有很多现有方案可以很好的实现电气隔离。但是在检测系统端口，由于能量传输受限制并且和信号传输同步进行，因此难以同时实现能量的高效传输和信号的高精度传输。本发明所要讨论的两线制信号隔离传输方案所指的正是检测端两线制信号的隔离传输方案。

目前业内称为两线制信号隔离传输的方案有两种。其中有一种为了解决电源能量问题，需要额外的电源提供能量，只实现了信号的两线制传输。这种方案实质上需要第三根线传输电源，因此不是本发明所要讨论的两线制传输方案。目前真正实现了两线制检测端信号隔离的方案只有一种。该方案如图3所示，在传感器和两线制转换器将检测信号转换为4～20mA的传输信号后通过一个无源电流信号隔离变送器将信号隔离传输到两线制电路中。

在现有的两线制信号隔离传输方案中，由于无源信号隔离变送器既要隔离传输电流信号，又要隔离传输电源，因此往往存在电流信号精度低，电源能量损耗大的问题。要实现4～20mA电流信号的无源隔离传输必须采用变压器电流比反比于匝比的特性实现磁电隔离。这里影响电流传输精度的因素有两个：一是变压器的漏感，二是磁芯的铁损。为了降低变压器的漏感，保证耦合系数，就必须使用没有气隙且高磁导率的磁芯并提高变压器的绕组圈数。为了降低变压器的铁损，就必须要使用低损耗系数的磁芯并提高变压器的工作频率和绕组圈数。然而由于磁芯材质的固有特性，在相同材料成本下，高磁导率往往意味着高损耗系数。变压器的绕组之间不可避免的会存在寄生电容，而且绕组圈数越多，寄生电容就会越大。这时如果变压器的工作频率提高，那么信号线上的电流就会直接从变压器绕组的寄生电容上流过而不通过变压器绕组。这时变压器的电流信号传输精度就会大大降低。因此在无源电流信号隔离传输的过程中，变压器的磁芯磁导率、绕组圈数和工作频率对信号传输精度的影响是相互矛盾的。由于电流信号实现的是无源传输，不存在可以进行信号精度校准的条件，这就决定了无源电流信号隔离传输的精度无法做的很高。

为了提高无源电流信号隔离传输电路的信号传输精度，电流信号的电压必须保持在低电压。这时由于变压器的励磁电压很低，极大的降低了变压器的励磁电流，也就降低了变压器的铁损。这从很大程度上降低了磁芯磁导率和铁损的矛盾关系。根据电容的电流和电压变换规律当变压器的信号电压很低时，即使变压器的寄生电容很大，工作频率很高，即周期t很小，最后流过变压器寄生电容的电流依然可以很小。因此降低变压器的信号电压也就降低了变压器工作频率和变压器绕组圈数的矛盾关系。所以无源电流信号隔离传输电路在保证变压器信号电压很低的情况下，只要提高磁芯磁导率和变压器圈数，适当调节变压器工作频率，依然可以实现较高的电流信号传输精度。但是在两线制信号隔离传输应用中需要提高两线制信号电压实现电源能量的传输，因此常规的无源电流信号隔离变送器并不能实现两线制信号的高精度传输。目前行业内低电压的无源电流信号隔离传输变送器的信号传输精度普遍可以做到1‰，但是可以应用于两线制信号传输电路中的电压高于8.5V的无源电流信号隔离变送器精度一般只能做到3‰。将无源电流信号隔离变送器和两线制信号转换器连接后两线制信号隔离传输电路的信号精度还会进一步降低。这里所说的精度是指信号隔离传输的误差和信号传输的量程范围之间的比值。

在能量传输方面，现有的两线制信号隔离传输方案存在电压传输压降大，配电输出电流不能调节的问题。在电流信号隔离传输电路上，虽然电流信号实现了1:1的传输，但却牺牲了信号的电压。由于信号采用的是无源传输，那就必须采用额外的变压器耦合信号传输电路上的电流为信号隔离传输电路的驱动控制电路提供能量。驱动控制电路所需要的能量是一定的，因此为了在4mA信号电流下满足驱动所需能量，必须提高从信号电路耦合的电压。这就提高了无源电流信号隔离变送器输入输出端的电压差。同时为了提高信号传输精度，必须提高信号隔离变压器的绕组圈数，这就提高了线路的阻抗，进一步提高了无源电流信号隔离变送器输入输出端的电压差。

目前市场上用于两线制电路的无源电流信号隔离变送器的输入输出压差基本在5V以上。XTR115或XTR116的最低电源输入电压是7.5V，意味着现有的两线制传输电路的信号电压至少要12.5V以上。如果假设两线制信号传输电路上线压降和电压余量之和为2.5V，那么控制系统为两线制电路提供的电压至少为15V。如果再加上控制系统电流信号检测电路所需要的电压，那么控制系统所要提供的电压就会更高。在一些控制系统供电电压较低的场合就会难以满足使用的要求。同时在电流方面，由于目前的两线制转换器配电输出电路直接从信号电路上引出来，因此配电电流不可能超过信号电流。以XTR116为例，芯片全温度范围下的最大静态电流为0.3mA。由于控制电路和配电输出电路并联，静态电流吸收了部分信号电流，因此要满足4～20mA信号下使用就要求配电电流最大只能是3.7mA。在需要更高配电电流的场合就无法满足4mA信号的正常传输了。

综上所述，现有的两线制信号传输方案信号传输精度低，最低两线制信号电压和配电输出电流无法调节。不能根据应用所需配电电压和电流调节两线制信号电压实现能量传输的最佳匹配。无法满足控制系统电压低，配电输出电流大，信号传输精度高等特殊应用场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种两线制信号隔离传输电路，以克服现有技术中信号传输精度低，最低两线制信号电压和配电输出电流无法调节，不能根据应用所需配电电压和电流调节两线制信号电压实现能量传输的最佳匹配的问题。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种两线制信号隔离传输电路，用于通过两根传输线从控制系统获得能量以向传感器供电，并将传感器输出信号转换成电流信号后通过所述两根传输线传输给所述控制系统，其特征在于：所述的两线制信号隔离传输电路包括相互独立的隔离式开关电源电路和信号隔离转换电路，并设有用于与所述两根传输线连接的第一端子和第二端子，所述信号隔离转换电路由信号隔离传输电路和信号转换电路组成；所述隔离式开关电源电路独立将由第一、第二端子输入的能量隔离传输给传感器，所述信号隔离传输电路独立将传感器输出信号隔离传输给信号转换电路，并且隔离式开关电源电路的用于向传感器供电的配电端与信号隔离传输电路的用于接收传感器输出信号的输入端共地，所述信号转换电路将传感器输出信号转换成电流后，经第一、第二端子向所述两根传输线输出，使两根传输线流过受传感器输出信号控制的电流。

作为本发明信号转换电路的第一种改进方式：所述信号转换电路包括有源信号转换电路和零点偏置电路；零点偏置电路在两线制信号隔离传输电路正常工作后流过预设的零点偏置电流，其与所述隔离式开关电源电路的输入端串联后形成的端口与所述第一、第二端子相并联，所述有源信号转换电路将信号隔离传输电路传输的传感器输出信号转换成电流信号，并且，该电流信号与所述零点偏置电流汇流后经第一、第二端子向所述两根传输线输出。

作为本发明第一种改进方式的信号转换电路的实施方式一：所述有源信号转换电路的输出端与所述零点偏置电路相并联。

作为本发明第一种改进方式的信号转换电路的实施方式二：所述有源信号转换电路的输出端与所述第一、第二端子相并联。

作为本发明信号转换电路的第二种改进方式：所述传感器输出信号带有预设的零点偏置信号，所述信号转换电路包括有源信号转换电路；有源信号转换电路的输出端与所述隔离式开关电源电路的输入端串联后形成的端口与所述第一、第二端子相并联，所述有源信号转换电路将信号隔离传输电路传输的传感器输出信号转换成电流信号，该电流信号经第一、第二端子向所述两根传输线输出。

作为本发明信号转换电路供电的优选实施方式：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔离供电电源电路；该隔离供电电源电路耦合所述隔离式开关电源电路中的电源隔离变压器，其将由隔离式开关电源电路获得的能量向所述信号隔离传输电路供电。

本发明还可作如下改进：所述隔离式开关电源电路的配电端与共地端之间接有稳压电路。

本发明还可作如下改进：所述隔离式开关电源电路为自激振荡电路。

本发明还可作如下改进：所述信号隔离传输电路为推挽同步整流电路，并且该推挽同步整流电路的输入侧推挽驱动信号和输出侧同步控制信号分别耦合自所述隔离式开关电源电路中电源隔离变压器的电源侧绕组和负载侧绕组。

本发明还可作如下改进：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔直分压电路；所述推挽同步整流电路的输出侧同步控制信号通过该隔直分压电路由所述隔离式开关电源电路中电源隔离变压器的电源侧绕组或者负载侧绕组获得。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过设置相互独立的隔离式开关电源电路和信号隔离转换电路，具有信号隔离转换精度高、可以根据需要设计配电输出电流和电压，最大化降低两线制信号电压、满足配电电流需求大于4mA或者两线制信号压降小于12.5V的特殊应用场合的优点，具体分析如下：

现有的两线制信号隔离传输电路之所以信号精度低，配电电流和输入电压无法匹配，其根本原因有两点。一是隔离电路同时隔离传输电流信号和电源能量，导致电流精度降低，信号压降提高。二是配电输出电流直接取自信号电流，没有相应的电源调节电路调节配电输出电流和电源输入电压。

本发明的两线制信号隔离传输电路中，通过将两线制电路的信号传输电路和电源传输电路分别隔离传输，使信号隔离转换电路不仅不再受隔离式开关电源电路的影响，而且由于隔离式开关电源电路可以为信号隔离转换电路供电，使得信号隔离转换电路可以实现各种类型的信号隔离转换并且具备了信号校准功能。这就解除了信号隔离转换的精度限制，使得校准后的信号精度可以无限提高。

本发明的两线制信号隔离传输电路中，由于信号隔离转换电路和隔离式开关电源电路相互独立传输信号和能量，使得隔离式开关电源电路的控制电路所需能量可以直接由第一端子和第二端子提供而不需要通过变压器耦合，减少了能量隔离传输的损耗，降低了电源隔离传输导致的输入输出电压压降。由于隔离式开关电源电路可以通过电源隔离变压器单独传输能量，通过设计变压器的匝比，就可以改变电源输入输出端口的电压比和电流比，进而可以根据实际需要设计配电端的电压和电流输出能力，达到降低两线制信号电压，优化电路损耗的目的。同时本发明中两线制传输信号中至少有4mA零点偏置电流流过电源输入端，通过电源变压器匝比设计后，就可以在配电输出端输出大于4mA的配电电流，可以满足配电电流需求大于4mA的特殊应用场合。通过电源变压器匝比设计，降低电源输入端电压，就可以允许两线制信号电压低于12.5V，满足控制系统电源电压较低的特殊应用场合。

第二，本发明通过采用信号转换电路第一种改进方式的实施方式一，具有进一步提高配电输出电流或降低两线制信号最小电压的优点，具体分析如下：

当两线制信号电流均流过电源输入端时，电源输入端的电流就由传输信号的大小控制。电源输入端的电流越大，那么电源配电端的输出电流也就越大。如果人为控制提高两线制信号电流的最小值，就相当于提高了电源配电端的最小输出电流，也就提高了电源的配电电流输出能力。这就满足了两线制信号电压不能过高但又需要较大的配电输出电流的应用场合。使用同样的方法，在保持配电输出电流不变的前提下，通过改变电源电压传输比，降低两线制信号电压，就能满足需要一定的配电电流输出能力但又要求很低的两线制信号电压的应用场合。

第三，本发明通过采用信号转换电路第一种改进方式的实施方式二，具有进一步提高电源配电最小电流输出能力并保持电源隔离传输电路输入输出端的电压稳定的优点，具体分析如下：

以Royer电路为例，当电源输入电流在4～20mA之间变化时，电源控制电路必须设计成满足传输20mA电流。和传输4mA电流相比，传输20mA电流意味着需要更大的三极管基极电流。基极电流是由Royer电路的启动电阻决定的，因此一旦设定就不会随着电路实际的传输电流变化。因此为只传输4mA电流设计的基极电流可以显著低于为传输20mA电流设计的基极电流，这就提高了4mA电流的传输效率。同时当电源输入电流在4～20mA之间变化时，电流在开关管、变压器和整流管上产生的压降就会变化，导致电源输入输出电压产生变化。而电源输入端只输入4mA电流时电源电路上的电压降就不会变化，因此电源输入输出电压就比输入4～20mA电流的方案稳定。采用其他电源方案时，在电源输入端只输入4mA电流时，电源传输效率和输入输出电压稳定性比输入4～20mA时也会有显著的提高。

第四，本发明通过采用信号转换电路供电的优选实施方式，具有简化信号转换控制电路的设计、提高信号转换控制电路的控制及校准精度的优点，具体分析如下：

信号通过隔离电路传输到需要通过信号转换电路将信号转换为两线制电流信号。转换电路被控制的电流信号是完全按照传输信号转换而来的。然而转换电路本身在控制电流信号的同时也需要供电电源并会产生工作电流。而这个电流是转换电路本身器件所决定的，并不受传输信号影响。由于两线制传输端口是整个信号转换电路的供电电源，因此信号转换电路工作时会在两线制信号电流上叠加不受控制的工作电流，降低信号传输精度。但是如果在电源电路上再引出一路额外的内部隔离电源给信号转换电路供电，由于内部隔离电源的电流来自电源输入端，而流过电源输入端的电流又是受信号转换电路控制的被控电流，因此就将信号转换电路的工作电流也纳入了受控电流的范围内，提高了两线制信号电流的传输精度。由于电源电路提供的内部隔离电源是和配电电源耦合的稳压电源，因此和使用不稳定的两线制信号电压相比，具有更高的零点和满度校准精度。

第五，本发明通过在隔离式开关电源电路的配电端与共地端之间设置稳压电路，具有更进一步提高电源隔离电路配电输出电压精度的优点，具体分析如下：

现有的电源一般是电源输入端输入稳定的电源电压，然后通过电压传输比设计电源输出电压。这时由于电流从电源输入端流到电源输出端的过程中需要经过电源开关管、电源变压器和输出整流器件并产生传输压降，随着配电输出电流的变化，传输压降也会随之变化。本发明的电源方案中，输入电源输入端的是电流信号，需要使用稳压电路稳压才能实现电源输入端的电压稳定。如果将稳压电路直接连接在电源输出端，那么电源输入端的电流信号就会直接通过电源输出到配电端并在配电端的稳压电路上形成稳定的压降作为电源配电电压。这时电源传输的电流一部分通过配电电流输出，一部分流过稳压电路。因此配电输出电流变化只会引起稳压电路电流的变化，并不会引起输出电压的变化，这就大大提高了配电输出电压的精度。

第六，本发明的隔离式开关电源电路通过优选采用自激振荡电路，具有大幅降低振荡控制电流、提高电源配电输出能力的优点，具体分析如下：

本发明的电源隔离电路采用自激振荡电路。本发明采用的电源隔离电路的振荡电路和电源输入端并联。因此在信号电流一定的情况下振荡电路损耗的电流会直接降低电源输入端可以传输给配电输出端的电流。如果采用现有的他激控制芯片产生电源隔离传输所需要的振荡控制信号，那么芯片的起振和控制电路一般需要消耗0.5mA以上的电流。如果采用自激振荡电路传输电源，由于自激信号振荡都是通过信号放大电路配上相位差产生的，只要信号放大电路的放大倍数足够大，就可以大大缩小控制信号的电流。比如三极管的放大倍数是200倍，要传输4mA电流理论只要有20uA控制电流就可以实现了。因此采用自激振荡电路实现电源隔离传输可以产生的进一步有益效果为大幅降低振荡控制电流，提高电源配电输出能力。

第七，本发明的信号隔离传输电路通过优选采用推挽同步整流电路，具有实现信号隔离传输的内部控制、简化信号隔离电路的设计、缩小电路面积的优点，具体分析如下：

采用推挽同步整流电路进行信号隔离传输，同时信号隔离电路的推挽驱动信号和同步控制信号耦合自所述电源隔离电路。由于推挽同步整流电路既可以实现电流信号的隔离传输，也可以实现电压信号的隔离传输，因此实现了输入输出电压或电流信号的隔离。由于驱动和同步信号耦合自电源隔离电路，这就保证了驱动和同步信号的一致性，同时节省了信号隔离电路的推挽电路振荡信号和同步整流同步信号的设计，降低了信号隔离电路的设计难度，减小了电路面积。在此前提下，控制信号通过电容隔直后经过电阻分压或者通过电容分压后用电阻吸收直流分量的方式给信号隔离电路提供控制信号，解决了电源电路给信号传输电路提供控制信号时电路不共地以及电压过高的问题。因此优选方案的进一步的有益效果为实现信号隔离传输的内部控制，简化了信号隔离电路的设计，缩小了电路面积。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为两线制信号传输系统示意图；

图2为XTR115和XTR116内部电路示意图；

图3为现有的两线制信号隔离传输方案示意图；

图4为本发明两线制信号隔离传输电路的电路原理框图；

图5为本发明实施例一的电路原理图；

图6为本发明实施例二的电路原理图；

图7为本发明实施例三的电路原理图；

图8为本发明实施例四的电路原理图；

图9为本发明实施例五的电路原理图。

具体实施方式

实施例一

如图4所示，本发明的两线制信号隔离传输电路用于通过两根传输线从控制系统获得能量以向传感器供电，并将传感器输出信号转换成电流信号后通过两根传输线传输给控制系统，其包括相互独立的隔离式开关电源电路A1和信号隔离转换电路，并设有用于与两根传输线连接的第一端子So和第二端子COM，信号隔离转换电路由信号隔离传输电路A2和信号转换电路组成；隔离式开关电源电路A1独立将由第一、第二端子So和COM输入的能量隔离传输给传感器，信号隔离传输电路A2独立将传感器输出信号隔离传输给信号转换电路，并且隔离式开关电源电路A1的用于向传感器供电的配电端VCC与信号隔离传输电路A2的用于接收传感器输出信号的输入端Sin共地GND，信号转换电路将传感器输出信号转换成电流后，经第一、第二端子So和COM向两根传输线输出，使两根传输线流过受传感器输出信号控制的电流。

如图5所示，本发明实施例一的两线制信号隔离传输电路所应用的传感器输出0～2V电压信号，该传感器输出信号不含有预设的零点偏置信号，为此，本实施例一的信号转换电路包括有源信号转换电路A3和零点偏置电路A4。

其中，隔离式开关电源电路A1采用自激振荡电路中典型的Royer电路结构，包括电容C101、电阻R100、电容C102、三极管Q100、三极管Q101、电源隔离变压器T1、二极管对D200和电容C200，电容C101的两端为隔离式开关电源电路A1的输入端，电容C200的两端为隔离式开关电源电路A1的配电端VCC和共地端GND，该配电端Vcc与共地端GND之间接有稳压电路，即稳压管D201。

信号隔离传输电路A2为推挽同步整流电路，包括MOS管对Q300、电容C305、信号隔离变压器T2、电容C405和MOS管对Q400，信号隔离变压器T2的原边绕组中点、副边绕组中点分别为信号隔离传输电路A2的信号输入端Sin、信号输出端，MOS管对Q300的源极连接点为信号隔离传输电路A2的共地端GND。该推挽同步整流电路的输入侧推挽驱动信号和输出侧同步控制信号分别耦合自隔离式开关电源电路A1中电源隔离变压器T1的电源侧绕组和负载侧绕组，即MOS管对Q300的两个栅极分别连接电源隔离变压器T1的负载侧绕组两端B39和V39，MOS管对Q400的两个栅极通过隔直分压电路A6，即电容C401～C403和电阻R401、R402连接电源隔离变压器T1的电源侧绕组两端G39和R39。

有源信号转换电路A3为电压电流转换电路，包括运算放大器U600、MOS管Q601和电阻R600，运算放大器U600的电源端正极通过隔离供电电源电路A5获得供电，该隔离供电电源电路A5包括二极管D600、电容C600和与电源隔离变压器T1耦合的辅助绕组，电容C600的一端为隔离供电电源电路A5的隔离电源输出端Vss，连接到运算放大器U600的电源端正极，另一端连接到第二端子COM，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点连接到MOS管对Q400的源极连接点，运算放大器U600的同相输入端为有源信号转换电路A3的输入端，与信号隔离传输电路A2的输出端相连接，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点、MOS管Q601的漏极为有源信号转换电路A3的输出端。

零点偏置电路A4为恒流源电路，包括电阻R604、AZ431基准芯片U601、MOS管Q602和电阻R601，电阻R604的一端为恒流源电路的电源输入端，连接到隔离供电电源电路A5的隔离电源输出端Vss以获得供电，AZ431基准芯片U601和电阻R601的连接点、MOS管Q602的漏极为零点偏置电路A4的两端，并且，MOS管Q602的漏源极之间并联有用于实现本发明两线制信号隔离传输电路正常启动的启动电阻R605。

本实施例一的有源信号转换电路A3的输出端与零点偏置电路A4相并联，并且，零点偏置电路A4与隔离式开关电源电路A1的输入端串联后形成的端口与第一、第二端子So和COM相并联，其中VI为零点偏置电路A4与隔离式开关电源电路A1的输入端的串接点。在本实施例一的两线制信号隔离传输电路正常工作后，零点偏置电路A4流过经由电路参数预设的零点偏置电流，有源信号转换电路A3将信号隔离传输电路A2传输的传感器输出信号转换成电流信号，该电流信号与零点偏置电流汇流后经第一、第二端子So和COM向两根传输线输出4～20mA的电流信号。

本发明本实施例一的基本工作原理为：当电路上电时，由于MOS管Q601和Q602的初始状态为关断，因此两线制信号电流无法从MOS管Q601和Q602流过。这时电流转而通过启动电阻R605，使得第二端子So产生输入电流，电路启动并且配电端Vcc和隔离电源输出端Vss产生输出电压。电源启动后电源隔离变压器T1的B39、V39端口产生输入侧推挽驱动信号和G39、R39端口产生输出侧同步控制信号，控制信号隔离传输电路A2将传感器输出的电压信号传输到有源信号转换电路A3。隔离供电电源电路A5启动后，有源信号转换电路A3和零点偏置电路A4开始正常工作，MOS管Q602导通控制两线制电路流过4～20mA传输信号中的4mA零点偏置电流，设计时启动电阻R605上的电流应当保证低于两线制信号传输的最小电流4mA，而剩余的电流在零点偏置电路A4正常工作后通过MOS管Q602控制流通。零点偏置电路A4正常工作后第一端子So过最小4mA的电流，从而使配电端Vcc达到正常的配电电流输出能力。信号隔离传输电路A2进入正常工作状态。通过调节有源信号转换电路A3中的转换电阻R600就可以实现信号传输的满度校准，该信号满度即输出信号随着输入信号变化的比值。通过调节零点偏置电路A4的电流转换电阻R601就可以实现电路的零点校准。通过调节隔离式开关电源电路A1中电源隔离变压器T1的匝比就可以实现配电电流和电源输入电压的调节。

为了说明本发明实施例一的信号隔离传输效果，这里选择以下参数进行实际测试。Royer电路参数：R100=50KΩ、C101=C200=1uF、C102=47nF、Q100和Q101为放大倍数为200左右的开关三极管FMMT491，D200为整流二极管对BAVA70，稳压管D201采用5.1V稳压管。信号隔离电路参数：Q300和Q400采用MOS管对FDC6561，C304=C405=100nF，C401=C404=1nF，C402=C403=100pF，R401=R404=100KΩ。电压电流转换电路参数：R600=126Ω精密电阻，U600=MCP6001，Q601=PHT8N06LTR。零点偏置电路参数：R604=10kΩ，U601为2.5V电压基准芯片AZ431，Q602=BSS138，R601=626Ω精密电阻。隔离供电参数：D600=RB160M-60、C600=1uF。启动电阻R605=5.1KΩ。电源变压器磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为3000左右的常见铁氧体环形磁心。变压器电源输入端的绕组圈数为35圈，电源输出端的圈数为25圈，隔离供电电源绕组圈数和电源输出端的绕组圈数相同。信号变压器的磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为10000左右的铁氧体环形磁心。变压器的输入输出绕组圈数均为30圈。

根据以上参数和电路制作成两线制隔离转换电路后经过简单的电路参数校准，测得电路的隔离传输精度如下：

输入信号（V）	0	0.5	1	1.5	2
						输出信号（mA）	4.006	8.006	12.006	16.005	20.004

以上产品的精度为0.375‰。这只是简单校准后得到的信号传输精度，经过进一步的校准还可以得到更高的信号传输精度。这和现有的两线制隔离传输方案3‰的精度相比有了显著的提高。

电路的配电电源输出电压为5V，传输4mA信号时配电电流可达3mA。两线制信号电压最小为10V。如果将两线制信号传输的电流范围设计成8～20mA，那么在传输最小的8mA电流时，配电电流可以可达7mA，远大于全范围信号传输时的配电供电电流。如果将电源的变压器绕组改为输入绕组40圈，输出绕组20圈，重新测试电源的配电电流输出能力得5.1mA，两线制信号最低电压为14V。电路实现了全范围信号传输时配电流大于4mA的供电能力。将电源的变压器绕组改为输入绕组30圈，输出绕组30圈，重新测试电源的配电最小电流输出能力为2mA，两线制信号最低电压为7.6V。这时两线制信号电压已经远低于现有的12.5V。

实施例二

如图6所示，本发明实施例二的两线制信号隔离传输电路与实施例一基本相同，它们的区别在于：本实施例二的有源信号转换电路A3的输出端并不与零点偏置电路A4相并联，而是与第一、第二端子So和COM相并联，即MOS管Q601的漏极连接到第一端子So。本实施例二的工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

为了说明本发明实施例二的信号隔离传输效果，这里选择以下参数进行实际测试。Royer电路参数：R100=50KΩ、C101=C200=1uF、C102=47nF、Q100和Q101为放大倍数为200左右的开关三极管FMMT491，D200为整流二极管对BAVA70，稳压管D201采用5.1V稳压管。信号隔离电路参数：Q300和Q400采用MOS管对FDC6561，C304=C405=100nF，C401=C404=1nF，C402=C403=100pF，R401=R404=100KΩ。电压电流转换电路参数：R600=126Ω精密电阻，U600=MCP6001，Q601=PHT8N06LTR。零点偏置电路参数：R604=10kΩ，U601为2.5V电压基准芯片AZ431，Q602=BSS138，R601=626Ω精密电阻。隔离供电参数：D600=RB160M-60、C600=1uF。启动电阻R605=5.1KΩ。电源变压器磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为3000左右的常见铁氧体环形磁心。变压器电源输入端的绕组圈数为35圈，电源输出端的圈数为25圈，隔离供电电源绕组圈数和电源输出端的绕组圈数相同。信号变压器的磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为10000左右的铁氧体环形磁心。变压器的输入输出绕组圈数均为30圈。

根据以上参数和电路制作成两线制隔离转换电路后经过简单的电路参数校准，测得电路的隔离传输精度如下：

输入信号（V）	0	0.5	1	1.5	2
						输出信号（mA）	4.003	8.003	12.003	16.002	20.001

以上产品的精度为0.187‰。这只是简单校准后得到的信号传输精度，经过进一步的校准还可以得到更高的信号传输精度。这和现有的两线制隔离传输方案3‰的精度相比有了显著的提高。

电路的配电电源输出电压为5V，传输4mA信号时配电电流可达3mA。两线制信号电压最小为9V。和实施例一相比，两线制信号最小电压有所降低，电源传输效率提高。如果将电源的变压器绕组改为输入绕组40圈，输出绕组20圈，重新测试电源的配电电流输出能力得5mA，两线制信号最低电压为13V。电路实现了全范围信号传输时配电流大于4mA的供电能力。将电源的变压器绕组改为输入绕组30圈，输出绕组30圈，重新测试电源的配电最小电流输出能力为1.9mA，两线制信号最低电压为7.1V。这时两线制信号电压已经远低于现有的12.5V。

实施例三

如图7所示，本发明实施例三的两线制信号隔离传输电路与实施例一基本相同，它们的区别在于：本实施例三的两线制信号隔离传输电路所应用的传感器输出1～5mA电流信号，该传感器输出信号也不含有预设的零点偏置信号，为此，本实施例一的有源信号转换电路A3替换为电流放大电路，包括运算放大器U600、MOS管Q601、电阻R600和R601，运算放大器U600的电源端正极连接到隔离供电电源电路A5的隔离电源输出端Vss，运算放大器U600的反相输入端与信号隔离传输电路A2中MOS管对Q400的源极连接点相连接，运算放大器U600的同相输入端与电阻R601的连接点为有源信号转换电路A3的输入端，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点、MOS管Q601的漏极为有源信号转换电路A3的输出端。本实施例三的工作原理与实施例一相同，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。

另外，当上述实施例二的两线制信号隔离传输电路所应用的传感器输出1～5mA电流信号时，其有源信号转换电路A3也可用本实施例三的电流放大电路替代，在此不再赘述。

实施例四

如图8所示，本发明实施例四的两线制信号隔离传输电路与实施例三基本相同，它们的区别在于：本实施例四的两线制信号隔离传输电路所输入的传感器输出信号带有预设的零点偏置信号，为此，本实施例一的信号转换电路仅设有有源信号转换电路A3；该有源信号转换电路A3为电流放大电路，包括运算放大器U600、MOS管Q601、电阻R600和R601，运算放大器U600的电源端正极连接到隔离供电电源电路A5的隔离电源输出端Vss，运算放大器U600的反相输入端与信号隔离传输电路A2中MOS管对Q400的源极连接点相连接，运算放大器U600的同相输入端与电阻R601的连接点为有源信号转换电路A3的输入端，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点、MOS管Q601的漏极为有源信号转换电路A3的输出端，并且，MOS管Q601的漏源极之间并联有用于实现本发明两线制信号隔离传输电路正常启动的启动电阻R605。本实施例四的有源信号转换电路A3的输出端与隔离式开关电源电路A1的输入端串联后形成的端口与第一、第二端子So和COM相并联，有源信号转换电路A3将信号隔离传输电路A2传输的传感器输出信号转换成电流信号，该电流信号经第一、第二端子So和COM向两根传输线输出4～20mA的电流信号。

本发明本实施例四与实施例三的工作原理基本相同，仅因为传感器输出信号带有预设的零点偏置信号而有所区别：隔离式开关电源电路A1实现了两线制信号传输电路到传感器的电源隔离传输。信号隔离传输电路A2实现了1～5mA传感器输出电流信号的隔离传输。有源信号转换电路A3实现了1～5mA电流到4～20mA电流的转换。隔离供电电源电路A5为有源信号转换电路A3供电。启动电阻R605实现电路上电后的正常启动。具体来说：当电路上电时，由于MOS管Q601的初始状态为关断，因此两线制信号电流无法从MOS管Q601流过。这时电流转而通过启动电阻R605，使得第二端子So产生输入电流，电路启动并且配电端Vcc和隔离电源输出端Vss产生输出电压。电源启动后电源隔离变压器T1的B39、V39端口产生输入侧推挽驱动信号和G39、R39端口产生输出侧同步控制信号，控制信号隔离传输电路A2将传感器输出的电压信号传输到有源信号转换电路A3。隔离供电电源电路A5启动后，有源信号转换电路A3开始正常工作，导通MOS管Q601控制两线制电路流过和传感器输出信号成比例的电流。设计时启动电阻R605上的电流应当保证低于两线制信号电流的最小电流4mA，而剩余的电流在正常工作后通过MOS管Q601控制流通。MOS管Q601导通后进一步提高了电源输入端的输入电流，进而提高了配电输出能力。信号隔离传输电路A2进入正常工作状态。信号隔离传输电路A2的电流传输比例反比于匝比，这里一般选取等比传输。有源信号转换电路A3的电流放大倍数为由于信号零点通过传感器输出信号决定，没有设置零点偏置电路，因此不需要进行信号的零点校准。通过调节电阻R601和R600就可以调节信号传输的满度，从而提高电路的信号传输精度，该信号满度即输出信号随着输入信号变化的比值。通过调节隔离式开关电源电路A1中电源隔离变压器T1的匝比就可以调节配电输出电流和电源输入电压。

为了说明本发明第一实施例的信号隔离传输效果，这里选择以下参数进行实际测试。Royer电路参数：R100=51KΩ、C101=C200=1uF、C102=47nF、Q100和Q101为放大倍数为200左右的开关三极管FMMT491，D200为整流二极管对BAVA70，稳压管D201采用5.1V稳压管。信号隔离电路参数：Q300和Q400采用MOS管对FDC6561，C304=C405=C401=C404=100nF，R401=R404=10KΩ，R402=R403=100KΩ。信号输出电路参数：R600=105Ω精密电阻，R601=313Ω精密电阻，U600=MCP6001，Q601=PHT8N06LT。隔离供电参数：D600=RB160M-60、C600=1uF。启动电阻R605=5.1KΩ。电源变压器磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为3000左右的常见铁氧体环形磁心。变压器电源输入端的绕组圈数为35圈，电源输出端的圈数为25圈，隔离供电电源绕组圈数和电源输出端的绕组圈数相同。信号变压器的磁芯采用外径为5毫米，横截面积1.5平方毫米，相对磁导率为10000左右的铁氧体环形磁心。变压器的输入输出绕组圈数均为30圈。

根据以上参数和电路制作成两线制隔离转换电路后经过简单的电路参数校准，测得电路的信号隔离传输精度如下：

输入信号（mA）	1	2	3	4	5
						输出信号（mA）	3.992	7.994	11.996	15.998	20.001

以上产品的精度为0.5‰。这只是简单校准后得到的信号传输精度，经过进一步的校准还可以得到更高的信号传输精度。这和现有的两线制隔离传输方案3‰的精度相比有了显著的提高。

电路的配电电源输出电压为5V，传输4mA信号时配电电流可达3mA。两线制信号电压最小为10V。如果将两线制信号传输的电流范围设计成8～20mA，那么在传输最小的8mA电流时，配电电流可以可达7mA，远大于全范围信号传输时的配电供电电流。如果将电源的变压器绕组改为输入绕组40圈，输出绕组20圈，重新测试电源的配电电流输出能力得5mA，两线制信号最低电压为14V。电路实现了全范围信号传输时配电流大于4mA的供电能力。将电源的变压器绕组改为输入绕组30圈，输出绕组30圈，重新测试电源的配电最小电流输出能力为2mA，两线制信号最低电压为7.6V。这时两线制信号电压已经远低于现有的12.5V。

实施例五

如图9所示，本发明实施例五的两线制信号隔离传输电路与实施例四基本相同，它们的区别在于：本实施例五的两线制信号隔离传输电路所应用的传感器输出0～2V电压信号，该传感器输出信号也含有预设的零点偏置信号，为此，本实施例五的有源信号转换电路A3替换为电压电流转换电路，包括运算放大器U600、MOS管Q601和电阻R600，运算放大器U600的电源端正极连接到隔离供电电源电路A5的隔离电源输出端Vss，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点连接到MOS管对Q400的源极连接点，运算放大器U600的同相输入端为有源信号转换电路A3的输入端，与信号隔离传输电路A2的输出端相连接，运算放大器U600的电源端负极与电阻R600的连接点、MOS管Q601的漏极为有源信号转换电路A3的输出端，并且，MOS管Q601的漏源极之间并联有用于实现本发明两线制信号隔离传输电路正常启动的启动电阻R605。本实施例五的工作原理与实施例四相同，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。

另外，本发明实施例四和实施例五的隔直分压电路A6均可以选用如图8所以的电路结构，即电容C401、电阻R401～R404、电容C404依次串接，或者，如图9所示的电路结构，即电容C401～C404依次串接，并且电阻R401、R402分别与电容C402、C403相并联。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，它们均落在本发明的保护范围之中。例如，实施例一至三所应用的传感器输出的信号也可以含有预设的零点偏置信号，此时仅需相应调节零点偏置电路A4的电路参数以使得向第一、第二端子So和COM输出的电流信号满足两线制传输的要求即可；又如，隔离式开关电源电路A1和信号隔离传输电路A2可采用现有技术中与本发明具有相同电源隔离和信号隔离功能的电路结构。

Claims (14)

1.一种两线制信号隔离传输电路，用于通过两根传输线从控制系统获得能量以向传感器供电，并将传感器输出信号转换成电流信号后通过所述两根传输线传输给所述控制系统，所述的两线制信号隔离传输电路包括相互独立的隔离式开关电源电路(A1)和信号隔离转换电路，并设有用于与所述两根传输线连接的第一端子(So)和第二端子(COM)，所述信号隔离转换电路由信号隔离传输电路(A2)和信号转换电路组成；所述隔离式开关电源电路(A1)独立将由第一、第二端子(So和COM)输入的能量隔离传输给传感器，所述信号隔离传输电路(A2)独立将传感器输出信号隔离传输给信号转换电路，并且隔离式开关电源电路(A1)的用于向传感器供电的配电端(VCC)与信号隔离传输电路(A2)的用于接收传感器输出信号的输入端(Sin)共地(GND)，所述信号转换电路将传感器输出信号转换成电流后，经第一、第二端子(So和COM)向所述两根传输线输出，使两根传输线流过受传感器输出信号控制的电流；

其特征在于：所述信号转换电路包括有源信号转换电路(A3)和零点偏置电路(A4)；零点偏置电路(A4)在两线制信号隔离传输电路正常工作后流过预设的零点偏置电流，其与所述隔离式开关电源电路(A1)的输入端串联后形成的端口与所述第一、第二端子(So和COM)相并联，所述有源信号转换电路(A3)将信号隔离传输电路(A2)传输的传感器输出信号转换成电流信号，并且，该电流信号与所述零点偏置电流汇流后经第一、第二端子(So和COM)向所述两根传输线输出。

2.根据权利要求1所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述有源信号转换电路(A3)的输出端与所述零点偏置电路(A4)相并联。

3.根据权利要求1所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述有源信号转换电路(A3)的输出端与所述第一、第二端子(So和COM)相并联。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔离供电电源电路(A5)；该隔离供电电源电路(A5)耦合所述隔离式开关电源电路(A1)中的电源隔离变压器(T1)，其将由隔离式开关电源电路(A1)获得的能量向所述信号隔离传输电路(A2)供电。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述隔离式开关电源电路(A1)的配电端(VCC)与共地端(GND)之间接有稳压电路。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述隔离式开关电源电路(A1)为自激振荡电路。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述信号隔离传输电路(A2)为推挽同步整流电路，并且该推挽同步整流电路的输入侧推挽驱动信号和输出侧同步控制信号分别耦合自所述隔离式开关电源电路(A1)中电源隔离变压器(T1)的电源侧绕组和负载侧绕组。

8.根据权利要求7所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔直分压电路(A6)；所述推挽同步整流电路的输出侧同步控制信号通过该隔直分压电路(A6)由所述隔离式开关电源电路(A1)中电源隔离变压器(T1)的电源侧绕组或者负载侧绕组获得。

9.一种两线制信号隔离传输电路，用于通过两根传输线从控制系统获得能量以向传感器供电，并将传感器输出信号转换成电流信号后通过所述两根传输线传输给所述控制系统，所述的两线制信号隔离传输电路包括相互独立的隔离式开关电源电路(A1)和信号隔离转换电路，并设有用于与所述两根传输线连接的第一端子(So)和第二端子(COM)，所述信号隔离转换电路由信号隔离传输电路(A2)和信号转换电路组成；所述隔离式开关电源电路(A1)独立将由第一、第二端子(So和COM)输入的能量隔离传输给传感器，所述信号隔离传输电路(A2)独立将传感器输出信号隔离传输给信号转换电路，并且隔离式开关电源电路(A1)的用于向传感器供电的配电端(VCC)与信号隔离传输电路(A2)的用于接收传感器输出信号的输入端(Sin)共地(GND)，所述信号转换电路将传感器输出信号转换成电流后，经第一、第二端子(So和COM)向所述两根传输线输出，使两根传输线流过受传感器输出信号控制的电流；

其特征在于：所述传感器输出信号带有预设的零点偏置信号，所述信号转换电路包括有源信号转换电路(A3)；有源信号转换电路(A3)的输出端与所述隔离式开关电源电路(A1)的输入端串联后形成的端口与所述第一、第二端子(So和COM)相并联，所述有源信号转换电路(A3)将信号隔离传输电路(A2)传输的传感器输出信号转换成电流信号，该电流信号经第一、第二端子(So和COM)向所述两根传输线输出。

10.根据权利要求9所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔离供电电源电路(A5)；该隔离供电电源电路(A5)耦合所述隔离式开关电源电路(A1)中的电源隔离变压器(T1)，其将由隔离式开关电源电路(A1)获得的能量向所述信号隔离传输电路(A2)供电。

11.根据权利要求9所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述隔离式开关电源电路(A1)的配电端(VCC)与共地端(GND)之间接有稳压电路。

12.根据权利要求9所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述隔离式开关电源电路(A1)为自激振荡电路。

13.根据权利要求9所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述信号隔离传输电路(A2)为推挽同步整流电路，并且该推挽同步整流电路的输入侧推挽驱动信号和输出侧同步控制信号分别耦合自所述隔离式开关电源电路(A1)中电源隔离变压器(T1)的电源侧绕组和负载侧绕组。

14.根据权利要求13所述的两线制信号隔离传输电路，其特征在于：所述的两线制信号隔离传输电路还包括隔直分压电路(A6)；所述推挽同步整流电路的输出侧同步控制信号通过该隔直分压电路(A6)由所述隔离式开关电源电路(A1)中电源隔离变压器(T1)的电源侧绕组或者负载侧绕组获得。