中心議題：

• XTR115電流環電路原理及應用

解決方案：

• XTR115兩線製電流環典型應用
• 利用XTR115兩線製電流環進行信號傳輸

在各種數據采集與監控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調理，但是工業現場進行長線傳輸時，往往會產生以下問題：1)由於傳輸的信號是電壓信號
，傳輸線會受到噪聲的幹擾；2)傳輸線的分布電阻會產生電壓降
；3)現場無法提供儀表放大器的工作電壓。
    
為了解決上述問題並避開相關噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號，這是因為電流對噪聲並不敏感。4～20 mA的電流環便是用4 mA表示零信號
，用20 mA表示信號的滿刻度，而將低於4 mA和高於20 mA的信號用作各種故障的報警。
    
電流環電路，根據轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／電流轉換器
，亦稱電流環發生器
，它能將輸入電壓轉換成4～20 mA的電流信號(典型產品有1B21，1B22
，AD693，AD694，XTR115和XTR116)；另一種屬於電流／電壓轉換器

，也叫電流環接收器(典型產品為RCV420)，上述產品可滿足不同用戶的需要。
    
電流環電路，根據器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線製和三線製。當監控係統需要通過長線驅動現場的驅動器件(如閥門等)shi，yibancaiyongsanxianzhibiansongqi




，zheli，dianliuhuanqijianweiyujiankongdexitongduan，youxitongzhijiexiangdianliuhuanqijiangongdian，gongdiandianyuanshiergendianliuchuanshuxianyiwaidedisangenxian。liangxianxitongshidianliuhuanqijianhe傳感器位於現場端
，由於現場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA的電流環向遠端的電流環器件供電，通過4～20 mA來反映信號的大小。
   
XTR係列是美國BB(BURR-BROWN)公司生產的精密電流變送器
，該公司現已並入美國Texas Instruments公司。該係列產品包括XTR101
，XTR10 5，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)轉換，適配各種傳感器構成測試係統、工業過程控製係統
、電子秤重儀等。其中，XTR115和XTR116能夠滿足工業測量標準的兩線4～20 mA電流環電路，該電路設計巧妙、使用方便、超低靜態電流，非常適合於變送器等典型工業測量應用之中。
    
本文針對兩線的XTR115電流環電路的工作原理和典型應用展開詳細討論，可為4～20 mA電流環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屬於二線製電流變送器，內部的2．5 V基準電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115可將傳感器產生的40～200μA弱電流信號放大100倍，獲得4～20 mA的標準輸出。當環路電流接近32 mA時能自動限流。如果在3腳與5腳之間並聯一隻電阻，就可以改變限流值。
   
 2)芯片中增加了+5 V精密穩壓器，其輸出電壓精度為±0．05％，電壓溫度係數僅為20x10-6／℃
，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計。
    
3)精度高

，非線性誤差小。轉換精度可達±0．05％，非線性誤差僅為±0．003％。
    
4)環路電源電壓的允許範圍寬為7．5～36 V。XTR115由環路電源供電。工作溫度範圍是-40～+85℃。
    
5)專門設計了功率管接口，適配外部NPN型功率晶體管，它與內部輸出晶體管並聯後可降低芯片的功耗。

2 XTR115的工作原理
    
XTR115和XTR116用SO-8小型化封裝，其結構組成及原理圖如圖1所示，XTR115和XTR116內部電路主要由3部分組成。 第一部分是電流環電路的核心部分
，它是由內部的運算放器A1、電阻RIN
、R1
、R2

、Rlim和外接晶體三極管T1組成。
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第二部分是電源調整電路，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TO組成保護電路
，以防止輸出電流過大或上電過程中的過衝脈衝損壞芯片。為了敘述方便
，摘出電流環電路部分如圖2所示。    
圖2電路中
，信號電壓施加在VIN和VG之間
，VGxiangdangyuchuanganqibufendecankaodian。genjuyunsuanfangdaqidejibenyuanli，yunsuanfangdaqidelianggeshuruduandianyajibenxiangdeng，liuruyunsuanfangdaqishuruduandedianliujibenweiling。kezhi： 此時的I0隻是信號變化部分的電流，它的變化範圍是0～16 mA，對應到I3是0～160μA，可以根據這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現4～20 mA電流環，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。這路電流的最大值是Ismax=40μA。通過調節Rs，使得偏置電流IB=100Is+Ip=4 mA。

3 XTR115兩線製電流環典型應用
    
利用XTR115構成兩線製電流環時
，其工作電源和信號共用一根導線，工作電源由接收端提供。該方案需要考慮的主要問題：一yi是shi確que定ding所suo用yong接jie收shou器qi的de數shu量liang，即ji當dang有you多duo個ge接jie收shou器qi時shi
，它ta將jiang要yao求qiu變bian送song器qi擁yong有you一yi個ge較jiao低di的de工gong作zuo電dian源yuan電dian壓ya。另ling外wai一yi種zhong考kao慮lv是shi降jiang低di回hui路lu電dian流liu在zai接jie收shou端duan的de壓ya降jiang。
    
通常情況下
，利用兩線製設計方案時
，均需要考慮以下幾點：
   
1)電路環中的接收器的數量，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餘量；
   
3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。
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圖3是XTR115電路在溫度傳感器中的典型應用，溫度傳感器PT100和RE1、RE2
、RE3組成測量橋路，恒流二極管2HD2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Vo=2．5 V的工作點上。放大器的輸出通過電阻RIN接到電流環變換電路XTR115。運算放大器INA128的靜態電流為700μA；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=2．5V／(1．3 mA／100)=192．3kΩ。 假如溫度的測量範圍是±100℃。在0℃時放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V，而這時電流環的輸出電流應IO=4 mA+16／2mA=12 mA。而信號變化產生的電流應該在IOSIGNAL=16 mA／2=8mA。流過RIN的電流應該是I3=8mA／100=80μA。電阻RIN應該是RIN=2．5V／80μA=31．25 kΩ。在100℃時電流環的輸出電流應該是IO=20mA。相對0℃時的輸出增量是△IO=8mA。流過電阻RIN的電流增量應該是△I3=8mA／100=80μA。這時放大器的輸出電壓增量應該是△VP=25 kx80μA=2．5 V。而此時電橋的輸出電壓增量僅僅是△VT=17．56 mV。所以放大器的增益應該為G=2．5 V／17．56 mV=142．37倍。RG=50 k／(G-1)=353．68 Ω。
    
當溫度在0℃時
，電橋平衡
，放大器的輸出電壓為VP=VQ=2．5 V。電流環的輸出電流IO=12 mA。當溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=5 V。電流環的輸出電流IO=20 mA。當溫度在-100℃時，放大器的輸出電壓為VP=0 V。電流環的輸出電流IO=4mA。
    
然而，運算放大器INA128的最高輸出電壓達不到5 V
；最低輸出電壓也達不到0V。所以測溫範圍達不到+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最大值Vomax=4 V。G=(4 V-2．5 V)／17．56 mV=85倍。RG=50 k／(G-1)=595 Ω。這時，當溫度在100℃時，放大器的輸出電壓為VP=4V。電流環的輸出電流IO=16．8 mA。當溫度在-100℃時
，放大器的輸出電壓為VP=1 V。電流環的輸出電流IO=7．2 mA。雖然這樣又帶來了電流環的輸出範圍利用不足的缺點，但它並不影響正常測量。
    
外接晶體三極管隻要選用Vceo>36 V，Icmax>32 mA，Poutmax>1．2 W的NPN三極管即可。如：2SC1846、2SC2568、2SC2611、2SC2621、等均可。

4 總結
    
本文針對各種工業場合中抗惡劣電磁幹擾環境的需求，給出了一種利用XTR115兩liang線xian製zhi電dian流liu環huan進jin行xing信xin號hao傳chuan輸shu的de電dian路lu設she計ji方fang法fa。該gai方fang法fa減jian少shao了le傳chuan輸shu線xian的de噪zao聲sheng幹gan擾rao和he傳chuan輸shu線xian的de分fen布bu電dian阻zu產chan生sheng的de電dian壓ya降jiang


，提ti高gao了le數shu據ju通tong訊xun接jie口kou的de可ke靠kao性xing和he準zhun確que度du，具ju有you抗kang幹gan擾rao能neng力li強qiang
，數shu據ju傳chuan輸shu準zhun確que的de特te點dian，在zai工gong業ye測ce量liang中zhong具ju有you廣guang闊kuo的de應ying用yong前qian景jing。