XTR115電流環(huán)電路原理及應用

摘要：針對各種數據采集與監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(xiàn)4～20 mA電流環(huán)數據傳輸電路，首先討論了XTR115的性能特點(diǎn)和工作原理，隨后針對其在溫度傳感器中的典型應用，詳細描述了傳感器內部電流環(huán)的原理電路，給出了典型應用電路的詳細設計過(guò)程。實(shí)際測量結果表明基于XTR115的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強，數據傳輸準確的特點(diǎn)，在工業(yè)測量中具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：電流環(huán)；電流傳輸；變送器；工業(yè)測量

在各種數據采集與監控中通常用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號的調理，但是工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸時(shí)，往往會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：1)由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線(xiàn)會(huì )受到噪聲的干擾；2)傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降；3)現場(chǎng)無(wú)法提供儀表放大器的工作電壓。
為了解決上述問(wèn)題并避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，通常用電流來(lái)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(mǎn)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(lèi)型：一種是電壓／電流轉換器，亦稱(chēng)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(chǎn)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(chǎn)品為RCV420)，上述產(chǎn)品可滿(mǎn)足不同用戶(hù)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(lèi)型：兩線(xiàn)制和三線(xiàn)制。當監控系統需要通過(guò)長(cháng)線(xiàn)驅動(dòng)現場(chǎng)的驅動(dòng)器件(如閥門(mén)等)時(shí)，一般采用三線(xiàn)制變送器，這里，電流環(huán)器件位于監控的系統端，由系統直接向電流環(huán)器件供電，供電電源是二根電流傳輸線(xiàn)以外的第三根線(xiàn)。兩線(xiàn)系統是電流環(huán)器件和傳感器位于現場(chǎng)端，由于現場(chǎng)供電問(wèn)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(guò)4～20 mA來(lái)反映信號的大小。
XTR系列是美國B(niǎo)B(BURR-BROWN)公司生產(chǎn)的精密電流變送器，該公司現已并入美國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(diǎn)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、工業(yè)過(guò)程控制系統、電子秤重儀等。其中，XTR115和XTR116能夠滿(mǎn)足工業(yè)測量標準的兩線(xiàn)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(xiàn)的XTR115電流環(huán)電路的工作原理和典型應用展開(kāi)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(diǎn)
XTR115具有如下性能特點(diǎn)：
1)XTR115屬于二線(xiàn)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(chǎn)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(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(jiǎn)化了外部電源的設計。
3)精度高，非線(xiàn)性誤差小。轉換精度可達±0．05％，非線(xiàn)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(zhuān)門(mén)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。