XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用

摘要：針對(duì)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(diǎn)和工作原理，隨后針對(duì)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(jì)過程。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明基于XTR115的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)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(cè)量

    在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號(hào)的調(diào)理，但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生以下問題：1)由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；2)傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；3)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(lái)傳輸信號(hào)，這是因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4～20 mA的電流環(huán)便是用4 mA表示零信號(hào)，用20 mA表示信號(hào)的滿刻度，而將低于4 mA和高于20 mA的信號(hào)用作各種故障的報(bào)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(hào)(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(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)器件(如閥門等)時(shí)，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(chǎng)端，由于現(xiàn)場(chǎng)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(lái)反映信號(hào)的大小。
    XTR系列是美國(guó)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(guó)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(hào)。其特點(diǎn)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(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4～20 mA電流環(huán)電路，該電路設(shè)計(jì)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(cè)量應(yīng)用之中。
    本文針對(duì)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(diǎn)
    XTR115具有如下性能特點(diǎn)：
    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(lì)源。XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA弱電流信號(hào)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(shí)能自動(dòng)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(dú)供電，從而簡(jiǎn)化了外部電源的設(shè)計(jì)。
    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(jì)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(yùn)算放器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶體三極管T1組成。[!--empirenews.page--]
    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TO組成保護(hù)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(hào)電壓施加在VIN和VG之間，VG相當(dāng)于傳感器部分的參考點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器的基本原理，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端電壓基本相等，流入運(yùn)算放大器輸入端的電流基本為零。可知：
   
    此時(shí)的I0只是信號(hào)變化部分的電流，它的變化范圍是0～16 mA，對(duì)應(yīng)到I3是0～160μA，可以根據(jù)這一電流和輸入信號(hào)的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實(shí)現(xiàn)4～20 mA電流環(huán)，還必須加入4 mA的偏置電流IB(這個(gè)偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流Ip)，方法是在運(yùn)算放大器的同相輸入端通過一個(gè)電阻Rs接到參考電壓上，再引入一路固定的電流Is。這路電流的最大值是Ismax=40μA。通過調(diào)節(jié)Rs，使得偏置電流IB=100Is+Ip=4 mA。

3 XTR115兩線制電流環(huán)典型應(yīng)用
    利用XTR115構(gòu)成兩線制電流環(huán)時(shí)，其工作電源和信號(hào)共用一根導(dǎo)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(shù)量，即當(dāng)有多個(gè)接收器時(shí)，它將要求變送器擁有一個(gè)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(shè)計(jì)方案時(shí)，均需要考慮以下幾點(diǎn)：
    1)電路環(huán)中的接收器的數(shù)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(lì)方法是電壓還是電流。
    圖3是XTR115電路在溫度傳感器中的典型應(yīng)用，溫度傳感器PT100和RE1、RE2、RE3組成測(cè)量橋路，恒流二極管2HD2為橋路提供2 mA的供電電流，運(yùn)算放大器INA128組成差動(dòng)放大電路，輸出被偏置在Vo=2．5 V的工作點(diǎn)上。放大器的輸出通過電阻RIN接到電流環(huán)變換電路XTR115。運(yùn)算放大器INA128的靜態(tài)電流為700μA；所以輸出端還須加入1．3 mA的偏置電流，這個(gè)電流可以通過電流偏置電阻Rs獲得，Rs=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。

    假如溫度的測(cè)量范圍是±100℃。在0℃時(shí)放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V，而這時(shí)電流環(huán)的輸出電流應(yīng)IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信號(hào)變化產(chǎn)生的電流應(yīng)該在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流過RIN的電流應(yīng)該是I3=8mA／100=80μA。電阻RIN應(yīng)該是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃時(shí)電流環(huán)的輸出電流應(yīng)該是IO=20mA。相對(duì)0℃時(shí)的輸出增量是△IO=8mA。流過電阻RIN的電流增量應(yīng)該是△I3=8mA／100=80μA。這時(shí)放大器的輸出電壓增量應(yīng)該是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此時(shí)電橋的輸出電壓增量?jī)H僅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益應(yīng)該為G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
    當(dāng)溫度在0℃時(shí)，電橋平衡，放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V。電流環(huán)的輸出電流IO=12 mA。當(dāng)溫度在100℃時(shí)，放大器的輸出電壓為VP=5 V。電流環(huán)的輸出電流IO=20 mA。當(dāng)溫度在-100℃時(shí)，放大器的輸出電壓為VP=0 V。電流環(huán)的輸出電流IO=4mA。
    然而，運(yùn)算放大器INA128的最高輸出電壓達(dá)不到5 V；最低輸出電壓也達(dá)不到0V。所以測(cè)溫范圍達(dá)不到+100℃。一個(gè)簡(jiǎn)潔的解決方案是降低運(yùn)算放大器INA128的增益，使運(yùn)算放大器在100℃時(shí)的輸出電壓達(dá)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(shí)，當(dāng)溫度在100℃時(shí)，放大器的輸出電壓為VP=4V。電流環(huán)的輸出電流IO=16．8 mA。當(dāng)溫度在-100℃時(shí)，放大器的輸出電壓為VP=1 V。電流環(huán)的輸出電流IO=7．2 mA。雖然這樣又帶來(lái)了電流環(huán)的輸出范圍利用不足的缺點(diǎn)，但它并不影響正常測(cè)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(jié)
    本文針對(duì)各種工業(yè)場(chǎng)合中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求，給出了一種利用XTR115兩線制電流環(huán)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)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(chǎn)生的電壓降，提高了數(shù)據(jù)通訊接口的可靠性和準(zhǔn)確度，具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。