XTR115電流環(huán)電路原理研究

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XTR115 的低功耗兩線4～20 mA 電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路，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)傳輸準確的特點，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　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，XTR105，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)測量標準的兩線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 基準電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115 可將傳感器產(chǎn)生的40～200 μA 弱電流信號放大100 倍，獲得4～20 mA 的標準輸出。

　　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20×10－6 ／℃，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±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。

　　第二部分是電源調(diào)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T0 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(huán)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(dāng)于傳感器部分的參考點。根據(jù)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：