XTR115电流环电路原理及应用

摘要：针对各种数据采集与监控中抗恶劣电磁干扰环境的需求，给出一种基于XTB115的低功耗两线4～20 mA电流环数据传输电路，首先讨论了XTR115的性能特点和工作原理，随后针对其在温度传感器中的典型应用，详细描述了传感器内部电流环的原理电路，给出了典型应用电路的详细设计过程。实际测量结果表明基于XTR115的电流环电路具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。
关键词：电流环；电流传输；变送器；工业测量

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。4～20 mA的电流环便是用4 mA表示零信号，用20 mA表示信号的满刻度，而将低于4 mA和高于20 mA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，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4～20 mA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，一般是接收端利用4～20 mA的电流环向远端的电流环器件供电，通过4～20 mA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Texas Instruments公司。该系列产品包括XTR101，XTR10 5，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4～20 mA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4～20 mA电流环电路的使用提供有益参考。

1 XTR115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2．5 V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4～20 mA的标准输出。当环路电流接近32 mA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+5 V精密稳压器，其输出电压精度为±0．05％，电压温度系数仅为20x10-6／℃，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7．5～36 V。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。

2 XTR115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。[p]
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，它的变化范围是0～16 mA，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4～20 mA电流环，还必须加入4 mA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=4 mA。

3 XTR115两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：一是确定所用接收器的数量，即当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。
通常情况下，利用两线制设计方案时，均需要考虑以下几点：
1)电路环中的接收器的数量，更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；
2)变送器所必需的工作电压要有一定的余量；
3)决定传感器的激励方法是电压还是电流。
图3是XTR115电路在温度传感器中的典型应用，温度传感器PT100和RE1、RE2、RE3组成测量桥路，恒流二极管2HD2为桥路提供2 mA的供电电流，运算放大器INA128组成差动放大电路，输出被偏置在Vo=2．5 V的工作点上。放大器的输出通过电阻RIN接到电流环变换电路XTR115。运算放大器INA128的静态电流为700μA；所以输出端还须加入1．3 mA的偏置电流，这个电流可以通过电流偏置电阻Rs获得，Rs=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。

假如温度的测量范围是±100℃。在0℃时放大器的输出电压为VP=VQ=2．5 V，而这时电流环的输出电流应IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信号变化产生的电流应该在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流过RIN的电流应该是I3=8mA／100=80μA。电阻RIN应该是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃时电流环的输出电流应该是IO=20mA。相对0℃时的输出增量是△IO=8mA。流过电阻RIN的电流增量应该是△I3=8mA／100=80μA。这时放大器的输出电压增量应该是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此时电桥的输出电压增量仅仅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益应该为G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
当温度在0℃时，电桥平衡，放大器的输出电压为VP=VQ=2．5 V。电流环的输出电流IO=12 mA。当温度在100℃时，放大器的输出电压为VP=5 V。电流环的输出电流IO=20 mA。当温度在-100℃时，放大器的输出电压为VP=0 V。电流环的输出电流IO=4mA。
然而，运算放大器INA128的最高输出电压达不到5 V；最低输出电压也达不到0V。所以测温范围达不到+100℃。一个简洁的解决方案是降低运算放大器INA128的增益，使运算放大器在100℃时的输出电压达到它的最大值Vomax=4 V。G=(4 V-2．5 V)／17．56 mV=85倍。RG=50 k／(G-1)=595 Ω。这时，当温度在100℃时，放大器的输出电压为VP=4V。电流环的输出电流IO=16．8 mA。当温度在-100℃时，放大器的输出电压为VP=1 V。电流环的输出电流IO=7．2 mA。虽然这样又带来了电流环的输出范围利用不足的缺点，但它并不影响正常测量。
外接晶体三极管只要选用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1．2 W的NPN三极管即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

4 总结
本文针对各种工业场合中抗恶劣电磁干扰环境的需求，给出了一种利用XTR115两线制电流环进行信号传输的电路设计方法。该方法减少了传输线的噪声干扰和传输线的分布电阻产生的电压降，提高了数据通讯接口的可靠性和准确度，具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。