XTR115电流环电路原理研究

      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XTR115 的低功耗两线4～20 mA 电流环数据传输电路，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。

　　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，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4～20 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40～200 μA 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20×10－6 ／℃，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7.5～36 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。

　　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T0 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：

I3=I2；VA=VB=VG；VR1=VR2；

　　所以： I1R2=I2R1；

　　即：I1=I2R1 /R2；

　　故：I0=I1+I2=I2（R1 /R2+1）=I3（R1 /R2+1）=100I3=100VI N/RI N；

　　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0~160 μA， 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=40 μA。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[6]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VQ= 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700 μA；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=2.5 V/（1.3 mA/100）=192.3 kΩ。

　　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I0=4 mA+16 / 2 mA =12 mA。而信号变化产生的电流应该在I0SIGNAL=16 mA/2=8 mA。流过RIN的电流应该是I3=8 mA/100=80 μA。

　　电阻RIN应该是RIN=2.5 V /80 μA =31.25 kΩ。在100 ℃时电流环的输出电流应该是I0=20 mA。相对0 ℃时的输出增量是ΔI0=8 mA。流过电阻RIN的电流增量应该是ΔI3=8 mA/100=80 μA。这时放大器的输出电压增量应该是ΔVP=25 k×80 μA=2.5 V。而此时电桥的输出电压增量仅仅是ΔVT=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I0=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I0=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I0=4 mA。

　　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0 V。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=4 V。电流环的输出电流I0=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I0=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[7]。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

　　4 总结

　　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。