XTR115电流环电路原理及应用

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1、XTR115电流环电路原理及应用  在各种数据采集与监控中通常用一个仪表放大器来完成信号的调理，但是工业现场进行长线传输时，往往会产生以下问题：1)由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；2)传输线的分布电阻会产生电压降；3)现场无法提供仪表放大器的工作电压。   为了解决上述问题并避开相关噪声的影响，通常用电流来传输信号，这是因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而将低于4mA和高于20mA的信号用作各种故障的报警。   电流环电路，根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压／电流转换器，

2、亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4～20mA的电流信号(典型产品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116)；另一种属于电流／电压转换器，也叫电流环接收器(典型产品为RCV420)，上述产品可满足不同用户的需要。   电流环电路，根据器件位置的不同又可划分成以下两种类型：两线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件(如阀门等)时，一般采用三线制变送器，这里，电流环器件位于监控的系统端，由系统直接向电流环器件供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。两线系统是电流环器件和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般

3、是接收端利用4～20mA的电流环向远端的电流环器件供电，通过4～20mA来反映信号的大小。   XTR系列是美国BB(BURR-BROWN)公司生产的精密电流变送器，该公司现已并入美国TexasInstruments公司。该系列产品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116共6种型号。其特点是能完成电压／电流(或电流／电流)转换，适配各种传感器构成测试系统、工业过程控制系统、电子秤重仪等。其中，XTR115和XTR116能够满足工业测量标准的两线4～20mA电流环电路，该电路设计巧妙、使用方便、超低静态电流，非常适合于变送

4、器等典型工业测量应用之中。   本文针对两线的XTR115电流环电路的工作原理和典型应用展开详细讨论，可为4～20mA电流环电路的使用提供有益参考。1XTR115的性能特点   XTR115具有如下性能特点：   1)XTR115属于二线制电流变送器，内部的2．5V基准电压可作为传感器的激励源。XTR115可将传感器产生的40～200μA弱电流信号放大100倍，获得4～20mA的标准输出。当环路电流接近32mA时能自动限流。如果在3脚与5脚之间并联一只电阻，就可以改变限流值。   2)芯片中增加了+5V精密稳压器，其输出电压精度为±0．05％，电压温度系数仅为20x

5、10-6／℃，可给外部电路(例如前置放大器)单独供电，从而简化了外部电源的设计。   3)精度高，非线性误差小。转换精度可达±0．05％，非线性误差仅为±0．003％。   4)环路电源电压的允许范围宽为7．5～36V。XTR115由环路电源供电。工作温度范围是-40～+85℃。   5)专门设计了功率管接口，适配外部NPN型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。2XTR115的工作原理   XTR115和XTR116用SO-8小型化封装，其结构组成及原理图如图1所示，XTR115和XTR116内部电路主要由3部分组成。   第一部分是电流环电路的核

6、心部分，它是由内部的运算放器A1、电阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶体三极管T1组成。   第二部分是电源调整电路，它提供传感器部分的外围电路工作电源和参考电压。第三部分是由电阻Ra、Rb、Rlim和晶体三极管TO组成保护电路，以防止输出电流过大或上电过程中的过冲脉冲损坏芯片。为了叙述方便，摘出电流环电路部分如图2所示。   图2电路中，信号电压施加在VIN和VG之间，VG相当于传感器部分的参考点。根据运算放大器的基本原理，运算放大器的两个输入端电压基本相等，流入运算放大器输入端的电流基本为零。可知：       此时的I0只是信号变化部分的电流，它的变化范围

7、是0～16mA，对应到I3是0～160μA，可以根据这一电流和输入信号的电压幅度决定输入电阻RIN；要实现4～20mA电流环，还必须加入4mA的偏置电流IB(这个偏置电流包括芯片的工作电流和传感器部分的工作电流Ip)，方法是在运算放大器的同相输入端通过一个电阻Rs接到参考电压上，再引入一路固定的电流Is。这路电流的最大值是Ismax=40μA。通过调节Rs，使得偏置电流IB=100Is+Ip=4mA。3XTR115两线制电流环典型应用   利用XTR115构成两线制电流环时，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。该方案需要考虑的主要问题：一是确定所