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1、XTR115电流环电路原理及应用在各种数据采集与监控中通常用一个仪表放大器来完成信号的调理，但是工业现场 进行长线传输时，往往会产生以下问题：1）由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声 的干扰；2）传输线的分布电阻会产生电压降；3）现场无法提供仪表放大器的工作电压。为了解决上述问题并避开相关噪声的影响，通常用电流来传输信号，这是因为电流 对噪声并不敏感。420mA的电流环便是用4 mA表示零信号，用20 mA表示信号的满刻度， 而将低于4 mA和高于20 mA的信号用作各种故障的报警。电流环电路，根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压/电流转换 器，亦称电流环发生器，它能将输入
2、电压转换成420 mA的电流信号（典型产品有1B21， 1B22, AD693, AD694, XTR115和XTR116）；另一种属于电流/电压转换器，也叫电流环接收 器（典型产品为RCV420），上述产品可满足不同用户的需要。电流环电路，根据器件位置的不同又可划分成以下两种类型：两线制和三线制。当 监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件（如阀门等）时，一般采用三线制变送器，这里， 电流环器件位于监控的系统端，由系统直接向电流环器件供电，供电电源是二根电流传输线 以外的第三根线。两线系统是电流环器件和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在， 一般是接收端利用420 mA的电流环向远端的电流
3、环器件供电，通过420 mA来反映信号 的大小。XTR系列是美国BB（BURR-BROWN）公司生产的精密电流变送器，该公司现已并入美国 Texas Instruments 公司。该系列产品包括 XTR101，XTR10 5，XTR106，XTR110，XTR115 和 XTR116共6种型号。其特点是能完成电压/电流（或电流/电流）转换，适配各种传感器构 成测试系统、工业过程控制系统、电子秤重仪等。其中，XTR115和XTR116能够满足工业测 量标准的两线420 mA电流环电路，该电路设计巧妙、使用方便、超低静态电流，非常适 合于变送器等典型工业测量应用之中。本文针对两线的XTR115电流
4、环电路的工作原理和典型应用展开详细讨论，可为4 20 mA电流环电路的使用提供有益参考。1 XTR115的性能特点XTR115具有如下性能特点：1）XTR115属于二线制电流变送器，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源。 XTR115可将传感器产生的40200 uA弱电流信号放大100倍，获得420 mA的标准输出。 当环路电流接近32 mA时能自动限流。如果在3脚与5脚之间并联一只电阻，就可以改变限 流值。2）芯片中增加了+5 V精密稳压器，其输出电压精度为0. 05%，电压温度系数仅 为20x10-6/C，可给外部电路（例如前置放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计。3）精度高，
5、非线性误差小。转换精度可达0. 05%，非线性误差仅为0. 003%。4）环路电源电压的允许范围宽为7.536VXTR115由环路电源供电。工作温度范 围是-40+85C。5）专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联 后可降低芯片的功耗。2 XTR115的工作原理XTR115和XTR116用SO-8小型化封装，其结构组成及原理图如图1所示，XTR115 和XTR116内部电路主要由3部分组成。111第一部分是电流环电路的核心部分，它是由内部的运算放器A1、电阻RIN、R1、R2、 Rlim和外接晶体三极管T1组成。第二部分是电源调整电路，它提供传感器部分的外围电
6、路工作电源和参考电压。第 三部分是由电阻Ra、Rb、Rlim和晶体三极管TO组成保护电路，以防止输出电流过大或上电 过程中的过冲脉冲损坏芯片。为了叙述方便，摘出电流环电路部分如图2所示。图2电滤环电膝图2电路中，信号电压施加在VIN和VG之间，VG相当于传感器部分的参考点。根 据运算放大器的基本原理，运算放大器的两个输入端电压基本相等，流入运算放大器输入 端的电流基本为零。可知：序岳R即昨丹M产Vm所以己 LRpbRc即J户上氏./%$曲 4什HRHS +1 )=iCO；3-iOOkltf/2e1Ki此时的I0只是信号变化部分的电流，它的变化范围是016 mA,对应到I3是0一 160 mA，
7、可以根据这一电流和输入信号的电压幅度决定输入电阻RIN;要实现420 mA电 流环，还必须加入4 1的偏置电流IB（这个偏置电流包括芯片的工作电流和传感器部分的 工作电流Ip）,方法是在运算放大器的同相输入端通过一个电阻Rs接到参考电压上，再引 入一路固定的电流Is。这路电流的最大值是Ismax=40“A。通过调节Rs，使得偏置电流 IB=100Is+Ip=4 mA。3 XTR115两线制电流环典型应用利用XTR115构成两线制电流环时，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接 收端提供。该方案需要考虑的主要问题：一是确定所用接收器的数量，即当有多个接收器时， 它将要求变送器拥有一个较低的工
8、作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压 降。通常情况下，利用两线制设计方案时，均需要考虑以下几点：1）电路环中的接收器的数量，更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。图3是XTR115电路在温度传感器中的典型应用，温度传感器PT100和RE1、RE2、 RE3组成测量桥路，恒流二极管2HD2为桥路提供2 mA的供电电流，运算放大器INA128组 成差动放大电路，输出被偏置在Vo=2.5V的工作点上。放大器的输出通过电阻RIN接到电 流环变换电路XTR115。运算放大器INA128的静态电流为700“
9、A;所以输出端还须加入1. 3 mA的偏置电流，这个电流可以通过电流偏置电阻Rs获得，Rs=2.5V/（1.3mA/ 100）=192. 3k QoM3 XTIUL5电路在是或僮罄费中的宾黄晡用假如温度的测量范围是100C。在0。时放大器的输出电压为VP=VQ=2.5V，而这 时电流环的输出电流应IO=4mA+16 / 2mA=12 mA。而信号变化产生的电流应该在IOSIGNAL=16 mA / 2=8mAo 流过 RIN 的电流应该是 I3=8mA/ 100=80MA。电阻 RIN 应该是 RIN=2. 5V/80 uA=31. 25 kQ。在100C时电流环的输出电流应该是I O=20m
10、A。相对0C时的输出增量是 lO=8mA。流过电阻RIN的电流增量应该是l3=8mA/ 100=80uA。这时放大器的输出电压 增量应该是 VP=25 kx80uA=2. 5 V。而此时电桥的输出电压增量仅仅是 VT=17. 56 mV。 所以放大器的增益应该为G=2. 5 V/17. 56 mV=142. 37 倍。RG=50 k/(G-1)=353. 68 Q。当温度在0C时，电桥平衡，放大器的输出电压为VP=VQ=2.5 V。电流环的输出电 流IO=12mA。当温度在100C时，放大器的输出电压为VP=5V。电流环的输出电流IO=20mA。 当温度在-100C时，放大器的输出电压为VP=
11、0 V。电流环的输出电流IO=4mA。然而，运算放大器INA128的最高输出电压达不到5 V；最低输出电压也达不到0V。 所以测温范围达不到+100C。一个简洁的解决方案是降低运算放大器INA128的增益，使运 算放大器在100C时的输出电压达到它的最大值Vomax=4V。G=(4V-2. 5 V)/ 17. 56 mV=85 倍。RG=50k/ (G-1)=595 Q。这时，当温度在100C时，放大器的输出电压为VP=4V。电流 环的输出电流IO=16. 8 mA。当温度在-100C时，放大器的输出电压为VP=1V。电流环的输 出电流IO=7. 2 mA。虽然这样又带来了电流环的输出范围利用不足的缺点，但它并不影响 正常测量。外接晶体三极管只要选用Vceo36 V，Icmax32 mA，Poutmax1. 2 W的NPN三极管 即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。4总结本文针对各种工业场合中抗恶劣电磁干扰环境的需求，给出了一种利用XTR115两线制电流环进行信号传输的电路设计方法。该方法减少了传输线的噪声干扰和传输线的分布电 阻产生的电压降，提高了数据通讯接口的可靠性和准确度，具有抗干扰能力强，数据传输准 确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。
