XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用
摘要:針對(duì)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XTB115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(diǎn)和工作原理,隨后針對(duì)其在溫度傳感器中的典型應(yīng)用,詳細(xì)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(xì)設(shè)計(jì)過程。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明基于XTR115的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強(qiáng),數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn),在工業(yè)測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:電流環(huán);電流傳輸;變送器;工業(yè)測(cè)量
在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個(gè)儀表放大器來完成信號(hào)的調(diào)理,但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí),往往會(huì)產(chǎn)生以下問題:1)由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào),傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾;2)傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降;3)現(xiàn)場(chǎng)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(hào),這是因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4~20 mA的電流環(huán)便是用4 mA表示零信號(hào),用20 mA表示信號(hào)的滿刻度,而將低于4 mA和高于20 mA的信號(hào)用作各種故障的報(bào)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(hào)(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(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)器件(如閥門等)時(shí),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(chǎng)端,由于現(xiàn)場(chǎng)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(yuǎn)端的電流環(huán)器件供電,通過4~20 mA來反映信號(hào)的大小。
XTR系列是美國(guó)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(guó)Texas Instruments公司。該系列產(chǎn)品包括XTR101,XTR10 5,XTR106,XTR110,XTR115和XTR116共6種型號(hào)。其特點(diǎn)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(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4~20 mA電流環(huán)電路,該電路設(shè)計(jì)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(cè)量應(yīng)用之中。
本文針對(duì)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(xì)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(diǎn)
XTR115具有如下性能特點(diǎn):
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(lì)源。XTR115可將傳感器產(chǎn)生的40~200μA弱電流信號(hào)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(shí)能自動(dòng)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,其輸出電壓精度為±0.05%,電壓溫度系數(shù)僅為20x10-6/℃,可給外部電路(例如前置放大器)單獨(dú)供電,從而簡(jiǎn)化了外部電源的設(shè)計(jì)。
3)精度高,非線性誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)±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(jì)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。
第一部分是電流環(huán)電路的核心部分,它是由內(nèi)部的運(yùn)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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