XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用

摘要：針對各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求，給出一種基于XTB115的低功耗兩線4～20 mA電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路，首先討論了XTR115的性能特點和工作原理，隨后針對其在溫度傳感器中的典型應(yīng)用，詳細(xì)描述了傳感器內(nèi)部電流環(huán)的原理電路，給出了典型應(yīng)用電路的詳細(xì)設(shè)計過程。實際測量結(jié)果表明基于XTR115的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電流環(huán)；電流傳輸；變送器；工業(yè)測量

在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理，但是工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行長線傳輸時，往往會產(chǎn)生以下問題：1)由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾；2)傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；3)現(xiàn)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(guān)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(huán)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(huán)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(典型產(chǎn)品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116)；另一種屬于電流／電壓轉(zhuǎn)換器，也叫電流環(huán)接收器(典型產(chǎn)品為RCV420)，上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。
電流環(huán)電路，根據(jù)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(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動現(xiàn)場的驅(qū)動器件(如閥門等)時，一般采用三線制變送器，這里，電流環(huán)器件位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系統(tǒng)直接向電流環(huán)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(tǒng)是電流環(huán)器件和傳感器位于現(xiàn)場端，由于現(xiàn)場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的電流環(huán)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(chǎn)的精密電流變送器，該公司現(xiàn)已并入美國Texas Instruments公司。該系列產(chǎn)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(zhuǎn)換，適配各種傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等。其中，XTR115和XTR116能夠滿足工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4～20 mA電流環(huán)電路，該電路設(shè)計巧妙、使用方便、超低靜態(tài)電流，非常適合于變送器等典型工業(yè)測量應(yīng)用之中。
本文針對兩線的XTR115電流環(huán)電路的工作原理和典型應(yīng)用展開詳細(xì)討論，可為4～20 mA電流環(huán)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(nèi)部的2．5 V基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)環(huán)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(lián)一只電阻，就可以改變限流值。
2)芯片中增加了+5 V精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓精度為±0．05％，電壓溫度系數(shù)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(shè)計。
3)精度高，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)±0．05％，非線性誤差僅為±0．003％。
4)環(huán)路電源電壓的允許范圍寬為7．5～36 V。XTR115由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是-40～+85℃。
5)專門設(shè)計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)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(jié)構(gòu)組成及原理圖如圖1所示，XTR115和XTR116內(nèi)部電路主要由3部分組成。

第一部分是電流環(huán)電路的核心部分，它是由內(nèi)部的運算放器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶體三極管T1組成。