小信號雙線(xiàn)變送器XTR101的原理和應用

摘要：在惡劣的工業(yè)環(huán)境下遠距離傳送微北信號是測量系統的關(guān)鍵問(wèn)題，B-B公司生產(chǎn)的XTR101型小信號雙線(xiàn)變送器是一個(gè)理想的解決方案。本文介紹了它的性能和工作原理，給出了設計舉例和應用電路，最后指出了使用中的一些注意事項。

關(guān)鍵詞：變送器 測量 零點(diǎn)調整 失調被償 泠端補償 XTR101

1 概述

XTR101是一個(gè)精密、低漂移的雙線(xiàn)變送器，它可以把微弱的電壓信號進(jìn)行放大并變換成4mA～20mA的電流信號后進(jìn)行遠距離傳送。它由一個(gè)高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個(gè)精密的1mA電流源組成，圖1是它的簡(jiǎn)化方框圖。

XTR101的失調電壓為30μV，溫漂0.75μV/℃，非線(xiàn)性度為0.01%。它可以用信號對電源電流進(jìn)行調制，可在一對線(xiàn)上同時(shí)傳輸信號和電源。XTR101是以電流形式傳輸信號的，因此不受遠距離傳輸線(xiàn)阻抗壓降的影響，并對電機、繼電器、電抗器、開(kāi)關(guān)、變壓器和其他工業(yè)設備的噪聲具有很高的抗干擾能力。XTR101的供電電壓范圍寬，從11.6V～40V，額定工作溫度范圍從-40℃～40℃，采用小型14引腳雙列直插式封裝。

正因為XTR101具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以它被廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制、生產(chǎn)自動(dòng)化、壓力和溫度等非電量變換、遠距離測量以及監控等系統中。

2 工作原理

在圖1電路中，A1和A2為單電源儀表放大器，它們控制著(zhù)A3與Q1構成的電流源。根據圖中的元件參數和到放大器的虛短和虛斷等性，可得出輸出電流Io的表達式為：

Io=(40/Rs+0.016/Ω)eln+4mA

由上式可見(jiàn)，當eIN=0時(shí)，Io=4mA；當eIN最大時(shí)，調節Rs可使Io=20mA。

3 設計要點(diǎn)

3.1 增益調節

RS為增益調節電阻，調節Rs可使輸入電壓eIN在從最小值變到最大值時(shí)使輸出電流Io從4mA變到20mA。即△I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過(guò)20mA，當Rs=∞時(shí)，eIN不應超過(guò)1V，而當Rs減小時(shí)，eIN也應相應減小。

3.2 輸入偏置

由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時(shí)，信號輸入端應加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個(gè)內部參考電流源或其中之一通過(guò)一個(gè)電阻產(chǎn)生，如圖2中的R2。

由于2個(gè)輸入端都存在直流偏壓，這就相當于在放大器的輸入端存在一個(gè)共模電壓，XTR101的技術(shù)指標中已經(jīng)包含了這部分誤差。如果偏置不是5V，而是另外一個(gè)共模電壓CMV，則會(huì )在輸入端引入（CMV-5）/CMRR的失調誤差（CMRR是共模抑制比）。

3.3 零點(diǎn)調整

XTR101可以把任何范圍（小于1V）的電壓信號變換為4～20mA的輸出電流，它的任務(wù)就是在輸入電壓最小時(shí)使輸出電流為4mA，即零點(diǎn)調整，也就是使零點(diǎn)能夠上下偏移?？衫脠D2中的電阻R4和1mA的內部參考電流源在R4上所產(chǎn)生的壓降V4來(lái)作為偏移電壓進(jìn)行零點(diǎn)調整。即調節R4，讓其在e2`=(e2`)MIN時(shí)，使eIN=(e2`)MIN-V4=0。

4 設計舉例及應用

4.1 設計舉例

在圖2電路中，已知鉑絲溫度計在0℃時(shí)的電阻為100Ω，在266℃時(shí)的電阻為200Ω。用它來(lái)測量25℃～150℃的溫度時(shí)，若使用XTR101進(jìn)行放大和傳輸，則應使25℃時(shí)的輸出電流為4mA，在150℃時(shí)的輸出電流為20mA。

（1）計算Rs：

在圖2中，鉑絲溫度計的敏感系數為△R/△T=100Ω/266℃，e`2為1mA電流流過(guò)它的所產(chǎn)生的電壓，當溫度從25℃變到150℃時(shí)，△T=125℃，則△eIN=1mA×(100Ω/266℃)×125℃=47mV，因此，Rs為：

Rs=40/(16mA/47mV-0.016/Ω)=123.3Ω

(2)計算R4：

在25℃時(shí)

（e`2）25℃=1mA×[(RT)0℃+△(RT)]

=1mA×[100Ω+(100Ω/266℃)×25℃]

=109.4mV

為了使25℃時(shí)的Io=4mA，應使：

eIN=(e`2)25℃-1mA×R4

=109.4mV-1mA×R4

=0

因此：

R4=109.4mV/1mA=109.4Ω

(3)計算R2，檢查共模電壓：

在25℃時(shí)，e2`=109.4V

在150℃時(shí)，

e2`=1mA[(RT)0℃+△RT]

=1mA×[100Ω+(100Ω/266℃) ×150℃]

=156.4mV

由于e`2和V4=1mA×R4=109.4mV比偏置電壓（5V）小得多，所以它們可以忽略，于是R2為：

R2=5V/2mA=2.5kΩ

這樣，放大器的輸入端電壓為：

（e2）MIN=5V+0.1094V

e1=5V+0.1094V。

這樣，輸入端電壓將在4V～6V范圍內變化。

4.2 應用電路

XTR101在使用中經(jīng)常像圖3那樣在8、12和9腳上外接一個(gè)晶體管TEXT。這個(gè)晶體管實(shí)際上是和內部晶體管并聯(lián)的，用以分流內部晶體管的大部分電流，以減少芯片的功耗和溫度變化，從而提高XTR101的精度和穩定性。但采用這樣設計方式應確保外部晶體管的功率參數。

XTR101的失調電壓很小，在多數應用場(chǎng)合無(wú)須補償 ，必要時(shí)可以像圖3那樣，在引腳1、2和14間接一電位器進(jìn)行失調補償。但不能用這個(gè)電位器進(jìn)行零點(diǎn)調整。因為輸出電流Io包含2mA的參考電流，所以2個(gè)電流源（引腳10和11）必須接到輸出端（引腳7）；如果參考電流用于產(chǎn)生偏置電壓或零點(diǎn)調整電壓，則引腳10、11與引腳7之間的電壓不能大于（Vcc-4V）。

應保證輸入電壓工作在它們的線(xiàn)性工作范圍之內，即e1和e2相對于引腳7的電壓4V～6V之間。

在選擇電源Vps及負載RL（連同傳輸線(xiàn)電阻）時(shí)，要使輸出在4～20mA變化，則應使電源Vcc（引腳8、7之間的電壓）的范圍處在11.6V～40V之間。

Rs的引線(xiàn)應盡量短，以減小噪聲干擾及引線(xiàn)電阻帶來(lái)的增益誤差。

在靠近芯片的引腳7、8之間接一個(gè)0.01μF的電容來(lái)對Vcc旁路，可消除外部干擾的影響。

二極管D1的作用是防止在電源電壓極性接錯時(shí)對芯片可能造成的損壞。

5 應用注意事項

圖4是一個(gè)熱電偶測溫電路。熱電偶的輸出電動(dòng)熱與工作端溫度（被測溫度）T1的對應關(guān)系通常是以冷端溫度（環(huán)境溫度）T2=0為標準進(jìn)行標定的，當T2≠0時(shí)需進(jìn)行冷端處理。圖4中是利用二極管D的管壓降經(jīng)過(guò)分壓后再由R6上的電壓對熱電偶迸行冷端補償的。

利用圖5所示的電路可以把XTR101傳輸的4～20mA輸出電流轉換為0～20mA電流。