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。