摘要： 針對各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求，給出一種基于XTR115 的低功耗兩線4～20 mA 電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路，首先討論了XTR115 的性能特點和工作原理，隨后針對其在溫度傳感器中的典型應(yīng)用，詳細描述了傳感器內(nèi)部電流環(huán)的原理電路，給出了典型應(yīng)用電路的詳細設(shè)計過程。實際測量結(jié)果表明基于XTR115 的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理，但是工業(yè)現(xiàn)場進行長線傳輸時，往往會產(chǎn)生以下問題：1）由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€會受到噪聲的干擾；2）傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；3）現(xiàn)場無法提供儀表放大器的工作電壓。

　　為了解決上述問題并避開相關(guān)噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號，這是因為電流對噪聲并不敏感。4～20 mA 的電流環(huán)便是用4 mA 表示零信號， 用20 mA 表示信號的滿刻度，而將低于4 mA 和高于20 mA 的信號用作各種故障的報警。

　　電流環(huán)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／ 電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號（典型產(chǎn)品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115 和XTR116）； 另一種屬于電流／ 電壓轉(zhuǎn)換器，也叫電流環(huán)接收器（典型產(chǎn)品為RCV420），上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。

　　電流環(huán)電路，根據(jù)器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線制和三線制。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動現(xiàn)場的驅(qū)動器件（如閥門等）時，一般采用三線制變送器，這里，電流環(huán)器件位于監(jiān)控的系統(tǒng)端， 由系統(tǒng)直接向電流環(huán)器件供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。兩線系統(tǒng)是電流環(huán)器件和傳感器位于現(xiàn)場端，由于現(xiàn)場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA 的電流環(huán)向遠端的電流環(huán)器件供電，通過4～20 mA 來反映信號的大小。

　　XTR 系列是美國BB（BURR-BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器，該公司現(xiàn)已并入美國Texas Instruments 公司。該系列產(chǎn)品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115和XTR116 共6 種型號。其特點是能完成電壓／ 電流（或電流／電流）轉(zhuǎn)換，適配各種傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等。其中，XTR115 和XTR116 能夠滿足工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4～20 mA 電流環(huán)電路， 該電路設(shè)計巧妙、使用方便、超低靜態(tài)電流，非常適合于變送器等典型工業(yè)測量應(yīng)用之中。

　　本文針對兩線的XTR115 電流環(huán)電路的工作原理和典型應(yīng)用展開詳細討論，可為4～20 mA 電流環(huán)電路的使用提供有益參考。

　　1 XTR115 的性能特點

　　XTR115 具有如下性能特點：

　　1）XTR115 屬于二線制電流變送器，內(nèi)部的2.5 V 基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115 可將傳感器產(chǎn)生的40～200 μA 弱電流信號放大100 倍，獲得4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)輸出。

　　當(dāng)環(huán)路電流接近32 mA 時能自動限流。如果在3 腳與5 腳之間并聯(lián)一只電阻，就可以改變限流值。

　　2） 芯片中增加了＋5 V 精密穩(wěn)壓器， 其輸出電壓為±0.05％，電壓溫度系數(shù)僅為20×10－6 ／℃，可給外部電路（例如前置放大器）單獨供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計。

　　3）高，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換可達±0.05％，非線性誤差僅為±0.003％。

　　4）環(huán)路電源電壓的允許范圍寬為7.5～36 V。XTR115 由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是－40～＋85 ℃。

　　5）專門設(shè)計了功率管接口，適配外部NPN 型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗。

　　2 XTR115 的工作原理

　　XTR115 和XTR116用SO-8 小型化封裝，其結(jié)構(gòu)組成及原理圖如圖1 所示，XTR115 和XTR116 內(nèi)部電路主要由3部分組成。

　　部分是電流環(huán)電路的部分，它是由內(nèi)部的運算放器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外接晶體三極管T1 組成。

　　第二部分是電源調(diào)整電路，它提供傳感器部分的外圍電路工作電源和參考電壓。第三部分是由電阻Ra、Rb、Rlim和晶體三極管T0 組成保護電路， 以防止輸出電流過大或上電過程中的過沖脈沖損壞芯片。為了敘述方便，摘出電流環(huán)電路部分如圖2 所示。

 　　圖2 電路中， 信號電壓施加在VIN和VG之間，VG相當(dāng)于傳感器部分的參考點。根據(jù)運算放大器的基本原理，運算放大器的兩個輸入端電壓基本相等，流入運算放大器輸入端的電流基本為零。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；

　　此時的I0只是信號變化部分的電流， 它的變化范圍是0～16 mA，對應(yīng)到I3是0~160 μA， 可以根據(jù)這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現(xiàn)4~20 mA 電流環(huán)，還必須加入4 mA 的偏置電流IB （這個偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運算放大器的同相輸入端通過一個電阻RS接到參考電壓上， 再引入一路固定的電流IS。這路電流的值是ISmax=40 μA。通過調(diào)節(jié)RS，使得偏置電流IB=100IS+IP=4 mA。

　　3 XTR115 兩線制電流環(huán)典型應(yīng)用

　　利用XTR115 構(gòu)成兩線制電流環(huán)時， 其工作電源和信號共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供。該方案需要考慮的主要問題：一是確定所用接收器的數(shù)量，即當(dāng)有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。

　　通常情況下，利用兩線制設(shè)計方案時，均需要考慮以下幾點：

　　1）電路環(huán)中的接收器的數(shù)量，更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；

　　2）變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；

　　3）決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。

　　圖3 是XTR115 電路在溫度傳感器中的典型應(yīng)用， 溫度傳感器PT100 和RE1、RE2、RE3 組成測量橋路， 恒流二極管2HD2[6]為橋路提供2 mA 的供電電流，運算放大器INA128組成差動放大電路，輸出被偏置在VQ= 2.5 V 的工作點上。放大器的輸出通過電阻RIN接到電流環(huán)變換電路XTR115。運算放大器INA128 的靜態(tài)電流為700 μA；所以輸出端還須加入1.3 mA 的偏置電流， 這個電流可以通過電流偏置電阻RS獲得，RS=2.5 V/（1.3 mA/100）=192.3 kΩ。

　　假如溫度的測量范圍是±100 ℃。在0 ℃時放大器的輸出電壓為VP=VQ=2.5 V，而這時電流環(huán)的輸出電流應(yīng)I0=4 mA+16 / 2 mA =12 mA。而信號變化產(chǎn)生的電流應(yīng)該在I0SIGNAL=16 mA/2=8 mA。流過RIN的電流應(yīng)該是I3=8 mA/100=80 μA。

　　電阻RIN應(yīng)該是RIN=2.5 V /80 μA =31.25 kΩ。在100 ℃時電流環(huán)的輸出電流應(yīng)該是I0=20 mA。相對0 ℃時的輸出增量是ΔI0=8 mA。流過電阻RIN的電流增量應(yīng)該是ΔI3=8 mA/100=80 μA。這時放大器的輸出電壓增量應(yīng)該是ΔVP=25 k×80 μA=2.5 V。而此時電橋的輸出電壓增量僅僅是ΔVT=17.56 mV。所以放大器的增益應(yīng)該為G=2.5 V /17.56 mV=142.37 倍。RG=50 k/（G-1）=353.68 Ω。

　　當(dāng)溫度在0 ℃時，電橋平衡，放大器的輸出電壓為VP=VQ=2.5 V。電流環(huán)的輸出電流I0=12 mA。當(dāng)溫度在100 ℃時，放大器的輸出電壓為VP=5 V。電流環(huán)的輸出電流I0=20 mA。當(dāng)溫度在-100 ℃時，放大器的輸出電壓為VP=0 V。電流環(huán)的輸出電流I0=4 mA。

　　然而， 運算放大器INA128 的輸出電壓達不到5 V；輸出電壓也達不到0 V。所以測溫范圍達不到±100 ℃。

　　一個簡潔的解決方案是降低運算放大器INA128 的增益，使運算放大器在100 ℃時的輸出電壓達到它的值Vomax=4 V。G=（4 V-2.5 V）/17.56 mV=85 倍。RG=50 k/（G-1）=595 Ω。

　　這時，當(dāng)溫度在100 ℃時，放大器的輸出電壓為VP=4 V。電流環(huán)的輸出電流I0=16.8 mA。當(dāng)溫度在-100 ℃時，放大器的輸出電壓為VP=1 V。電流環(huán)的輸出電流I0=7.2 mA。雖然這樣又帶來了電流環(huán)的輸出范圍利用不足的缺點，但它并不影響正常測量。

　　外接晶體三極管只要選用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1.2 W 的NPN三極管即可[7]。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

　　4 總結(jié)

　　本文針對各種工業(yè)場合中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求，給出了一種利用XTR115 兩線制電流環(huán)進行信號傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計方法。該方法減少了傳輸線的噪聲干擾和傳輸線的分布電阻產(chǎn)生的電壓降， 提高了數(shù)據(jù)通訊接口的可靠性和準(zhǔn)確度，具有抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。