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两线制智能仪表以其应用简单，成本低廉的特点大量地应用于压力、温度等过程参数检
测的一次仪表中。然而两线制回路需要同时传输能量和高精度信号，这就使得信号的隔离变
得非常困难。本文介绍了两线制回路的基本工作方式。并以此为基础分析了现有无源电流信
号隔离器在两线制信号隔离电路中的不足，进而介绍了传输精度更高的基于 TS107L-F-2 两线
制隔离转换器的信号隔离方案及其配电扩展方案。最后针对智能仪表的通信要求介绍了
TS107HLF-2 在两线制回路中的 Hart 信号隔离传输方案。
两线制信号传输方式的典型电路如图 1 所示。在信号检测端主要包括传感器和二线制转
换器两部分组成。在信号接收端包括两线制回路供电电源 VL 和电流检测电路组成。一般电
流检测电路由精密电阻 RL 将电流信号转换成电压信号再通过 AD 转换传送到控制系统中。
两线制转换器的功能是将两线制回路的电压 Vin 转换成传感器的供电电压 Vcc，同时根
据传感器的输入信号 Sin 控制两线制回路 Vin 的负载电流 Is。这里 Is 就是两线制电路传输的
4~20mA 电流信号。
在两线制回路中，只有唯一的电压源 VL，负载分别为 Vin 和 VRL。由于电流检测电阻流
过电流信号 Is，因此在电阻不变的情况下电压 VRL 由 Is 决定。根据基尔霍夫电压定律，两
线制接口的电压 Vin 应当是随着 VRL 的变化而变化的，并且满足以下等式（1）：
Vin=VL-VRL（不考虑线路阻抗的压降） （1）
由于 Is 由电路信号决定，因此 Vin 决定了二线制转换器的输入能量，进而也决定了二线
制转换器 Vcc 的最大输出能量。
两线制应用的常规隔离方案
在一次仪表现场过程信号检测的应用中，信号检测端和信号收集端需要通过较长的信号
传输线传输信号。由于一次仪表多为金属外壳，使用时需要接地处理，因此信号传输线也会
通过两线制接口和大地相连。这时的信号传输线就像是一根接地天线，可以有效地接收各种
电磁波信号。同时各种累积到传输线的电荷均会通过两线制接口导入大地，这会对两线制电
路的信号传输带来极大的干扰。
为了抑制信号传输线接地对信号的干扰，实际应用中一般需要将信号传输线连入传感器
之前先进行隔离处理。常规的解决方案如图 2 所示，在两线制回路和二线制转换器中间加一
个无源的电流信号隔离器即可实现信号的隔离传输。图中使用的无源电流信号隔离器是金升
阳的 T1100L-F。
T1100L-F 可以在不需要外界供电的情况下将 4~20mA 的电流信号等比隔离传输。能量的
输入端电压最高达到 30V 时，输出端可以实现最高 25V 电压以及信号电流的输出，有效的
实现了信号和能量的隔离传输。该方案使用简单，适用于各种需要 4~20mA 电流信号隔离的
场合，但是依然存在不足，主要包括以下两点：
信号传输精度低
由于同时隔离传输电流和能量，无源信号隔离器的信号传输精度一般在 0.3%以下。
存在回路压降
无源电流信号隔离器的电流等比传输，自身电路工作的能量来自于电流信号的输入输出
电压差，即两线制回路压降。T1100L-F 的电压差最大为 5V，这时上述等式（1）就增加了一
个隔离器的电压降，如下述等式（2）：
Vin=VL-VRL-5V（不考虑线路阻抗的压降） （2）
由于 Vin 决定了二线制转换器的输出能量，因此 Vin 的降低意味着二线制转换器的配电
功率降低。一般集成了两线制转换器的两线制传感器会有最小输入电压要求，Vin 的降低也
容易导致两线制传感器供电电压不足。
为了进一步提高两线制信号隔离传输电路的信号传输精度，同时简化两线制接口电路，
可以采用集成二线制转换器和信号隔离电路的 TS107L- F-2。TS107L-F- 2 是金升阳专为两线制
信号传输电路设计的两线制隔离转换器，主要的性能参数如下表：
和采用无源电流信号隔离器的两线制隔离方案相比，TS107L-F-2 的信号传输精度高，回
路压降低，同时 26*9.5*12.5mm 的小体积为两线制传感器的设计留出了更加广阔的空间。
由于两线制回路供电的能量有限，在传感器检测电路的设计中应当尽量选择功耗低的 元 器 件 。 如 果 采 用 低 功 耗 的 元 器 件 时 TS107L-F-2 依然不能满足供电要求，
由于 TS107L-F-2 的最低输入电压只有 10V，远低于一般两线制回路能够提供的电压，因
此在两线制回路中还可以串联一个乃至多个 HK 电源。 HK5S03B 的输入电压为 5V，这时两个
模块的回路压降为 15V，电源输出端则有了两个电源端 Vcc1 和 Vcc2。通过用 Vcc1 和 Vcc2
给传感器的不同电路供电，就可以有效的解决两线制回路配电电源功率不足的问题。根据配
电功率和电压要求的不 同 ， 可 以 选 择 以 下 不 同 的 HK 电源给两线制传感器提供
额外的电源。
如下表，输出电流能力是输入端电流为 4mA 时的值，如果输入电流减小，输出电流能
力也会相应降低，因此使用时应当注意两线制回路电流小于 4mA 时对配电输出电流的影响。
在智能仪表中，除了要传输 4~20mA 的模拟量信号，还要求具备 Hart 通信功能。这时
可以采用 TS107L-F-2 的 Hart 版 TS107HL-F-2。和 TS107L-F-2 的主要区别在于， TS107HL-F-2 多
了一路 Hart 信号隔离传输接口，如图 5 所示。由于 TS107HL-F-2 本身具备电压信号转 4~20mA
电流信号的功能，类似于 ADI 的 AD5421，因此只要采用 AD5700 在电压信号输入端耦合进
Hart 信号就可以实现 Hart 信号的发送。Hart 信号的返回则通过 TS107HL-F-2 的自带 Hart 信
号隔离接口实现信号的回传。
另外，为了有效的实现 Hart 信号的隔离传输， TS107HL-F-2 的模拟输入信号变成 0.4V~2V。总结
在一次仪表端的两线制信号隔离方案中，采用无源电流信号隔离器 T1100L-F，可以在不
改变两线制转换电路的情况下实现电气隔离，适合现有两线制仪表的升级。采用集成二线制
转换器和信号隔离电路的 TS107L-F-2 产品，可以简化两线制接口电路并满足高精度的两线制
信号传输，配合 HK 电源还可以提高两线制仪表的电源功率，满足不同配电功率的要求。在
需要 Hart 通信功能的智能仪表行业，可以选用同时隔离传输模拟信号和 Hart 信号的
TS107HL-F-2。两线制应用的 Hart 通信隔离方案
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