中心議題：

• XTR115電流環(huán)電路原理及應用

解決方案：

• XTR115兩線制電流環(huán)典型應用
• 利用XTR115兩線制電流環(huán)進行信號傳輸

在各種數據采集與監(jiān)控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調理，但是工業(yè)現(xiàn)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(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(huán)發(fā)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(huán)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(huán)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(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅動現(xiàn)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(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(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(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(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(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。 第一部分是電流環(huán)電路的核心部分，它是由內部的運算放器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶體三極管T1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(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?？芍? 此時的I0只是信號變化部分的電流，它的變化范圍是0～16 mA，對應到I3是0～160μA，可以根據這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現(xiàn)4～20 mA電流環(huán)，還必須加入4 mA的偏置電流IB(這個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)，方法是在運算放大器的同相輸入端通過一個電阻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)典型應用
    
利用XTR115構成兩線制電流環(huán)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(huán)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(huán)變換電路XTR115。運算放大器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。 假如溫度的測量范圍是±100℃。在0℃時放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V，而這時電流環(huán)的輸出電流應IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信號變化產生的電流應該在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流過RIN的電流應該是I3=8mA／100=80μA。電阻RIN應該是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃時電流環(huán)的輸出電流應該是IO=20mA。相對0℃時的輸出增量是△IO=8mA。流過電阻RIN的電流增量應該是△I3=8mA／100=80μA。這時放大器的輸出電壓增量應該是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此時電橋的輸出電壓增量僅僅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益應該為G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
    
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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)的輸出電流IO=7．2 mA。雖然這樣又帶來了電流環(huán)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(yè)場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(yè)測量中具有廣闊的應用前景。