XTR115电流环电路原理研究

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。