- XTR115電流環電路原理及應用
- XTR115兩線制電流環典型應用
- 利用XTR115兩線制電流環進行信號傳輸
在各種數據采集與監控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調理，但是工業現場進行長線傳輸時，往往會產生以下問題：1)由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；2)傳輸線的分布電阻會產生電壓降；3)現場無法提供儀表放大器的工作電壓。
為了解決上述問題并避開相關噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號，這是因為電流對噪聲并不敏感。4～20 mA的電流環便是用4 mA表示零信號，用20 mA表示信號的滿刻度，而將低于4 mA和高于20 mA的信號用作各種故障的報警。
電流環電路，根據轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉換器，亦稱電流環發生器，它能將輸入電壓轉換成4～20 mA的電流信號(典型產品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116)；另一種屬于電流／電壓轉換器，也叫電流環接收器(典型產品為RCV420)，上述產品可滿足不同用戶的需要。
電流環電路，根據器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的驅動器件(如閥門等)時，一般采用三線制變送器，這里，電流環器件位于監控的系統端，由系統直接向電流環器件供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。兩線系統是電流環器件和傳感器位于現場端，由于現場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA的電流環向遠端的電流環器件供電，通過4～20 mA來反映信號的大小。
XTR系列是美國BB(BURR-BROWN)公司生產的精密電流變送器，該公司現已并入美國Texas Instruments公司。該系列產品包括XTR101，XTR10 5，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116共6種型號。其特點是能完成電壓／電流(或電流／電流)轉換，適配各種傳感器構成測試系統、工業過程控制系統、電子秤重儀等。其中，XTR115和XTR116能夠滿足工業測量標準的兩線4～20 mA電流環電路，該電路設計巧妙、使用方便、超低靜態電流，非常適合于變送器等典型工業測量應用之中。
本文針對兩線的XTR115電流環電路的工作原理和典型應用展開詳細討論，可為4～20 mA電流環電路的使用提供有益參考。
1 XTR115的性能特點
XTR115具有如下性能特點：
1)XTR115屬于二線制電流變送器，內部的2．5 V基準電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115可將傳感器產生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20 mA的標準輸出。當環路電流接近32 mA時能自動限流。如果在3腳與5腳之間并聯一只電阻，就可以改變限流值。
2)芯片中增加了+5 V精密穩壓器，其輸出電壓精度為±0．05％，電壓溫度系數僅為20x10-6／℃，可給外部電路(例如前置放大器)單獨供電，從而簡化了外部電源的設計。
3)精度高，非線性誤差小。轉換精度可達±0．05％，非線性誤差僅為±0．003％。
4)環路電源電壓的允許范圍寬為7．5～36 V。XTR115由環路電源供電。工作溫度范圍是-40～+85℃。
5)專門設計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內部輸出晶體管并聯后可降低芯片的功耗。
2 XTR115的工作原理
XTR115和XTR116用SO-8小型化封裝，其結構組成及原理圖如圖1所示，XTR115和XTR116內部電路主要由3部分組成。
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第二部分是電源調整電路，它提供傳感器部分的外圍電路工作電源和參考電壓。第三部分是由電阻Ra、Rb、Rlim和晶體三極管TO組成保護電路，以防止輸出電流過大或上電過程中的過沖脈沖損壞芯片。為了敘述方便，摘出電流環電路部分如圖2所示。
圖2電路中，信號電壓施加在VIN和VG之間，VG相當于傳感器部分的參考點。根據運算放大器的基本原理，運算放大器的兩個輸入端電壓基本相等，流入運算放大器輸入端的電流基本為零。可知：
3 XTR115兩線制電流環典型應用
利用XTR115構成兩線制電流環時，其工作電源和信號共用一根導線，工作電源由接收端提供。該方案需要考慮的主要問題：一是確定所用接收器的數量，即當有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。
通常情況下，利用兩線制設計方案時，均需要考慮以下幾點：
1)電路環中的接收器的數量，更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；
2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；
3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。
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圖3是XTR115電路在溫度傳感器中的典型應用，溫度傳感器PT100和RE1、RE2、RE3組成測量橋路，恒流二極管2HD2為橋路提供2 mA的供電電流，運算放大器INA128組成差動放大電路，輸出被偏置在Vo=2．5 V的工作點上。放大器的輸出通過電阻RIN接到電流環變換電路XTR115。運算放大器INA128的靜態電流為700μA；所以輸出端還須加入1．3 mA的偏置電流，這個電流可以通過電流偏置電阻Rs獲得，Rs=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。
當溫度在0℃時，電橋平衡，放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V。電流環的輸出電流IO=12 mA。當溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=5 V。電流環的輸出電流IO=20 mA。當溫度在-100℃時，放大器的輸出電壓為VP=0 V。電流環的輸出電流IO=4mA。
然而，運算放大器INA128的最高輸出電壓達不到5 V；最低輸出電壓也達不到0V。所以測溫范圍達不到+100℃。一個簡潔的解決方案是降低運算放大器INA128的增益，使運算放大器在100℃時的輸出電壓達到它的最大值Vomax=4 V。G=(4 V-2．5 V)／17．56 mV=85倍。RG=50 k／(G-1)=595 Ω。這時，當溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=4V。電流環的輸出電流IO=16．8 mA。當溫度在-100℃時，放大器的輸出電壓為VP=1 V。電流環的輸出電流IO=7．2 mA。雖然這樣又帶來了電流環的輸出范圍利用不足的缺點，但它并不影響正常測量。
外接晶體三極管只要選用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1．2 W的NPN三極管即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。
4 總結
本文針對各種工業場合中抗惡劣電磁干擾環境的需求，給出了一種利用XTR115兩線制電流環進行信號傳輸的電路設計方法。該方法減少了傳輸線的噪聲干擾和傳輸線的分布電阻產生的電壓降，提高了數據通訊接口的可靠性和準確度，具有抗干擾能力強，數據傳輸準確的特點，在工業測量中具有廣闊的應用前景。
