XTR115電流環電路原理研究

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，對應到I3是0~160 μA， 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=40 μA。通過調節RS，使得偏置電流IB=100IS+IP=4 mA。

　　3 XTR115 兩線制電流環典型應用

　　利用XTR115 構成兩線制電流環時， 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：一是確定所用接收器的數量，即當有多個接收器時，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接到電流環變換電路XTR115。運算放大器INA128 的靜態電流為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，而這時電流環的輸出電流應I0=4 mA+16 / 2 mA =12 mA。而信號變化產生的電流應該在I0SIGNAL=16 mA/2=8 mA。流過RIN的電流應該是I3=8 mA/100=80 μA。

　　電阻RIN應該是RIN=2.5 V /80 μA =31.25 kΩ。在100 ℃時電流環的輸出電流應該是I0=20 mA。相對0 ℃時的輸出增量是ΔI0=8 mA。流過電阻RIN的電流增量應該是ΔI3=8 mA/100=80 μA。這時放大器的輸出電壓增量應該是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I0=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I0=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I0=4 mA。

　　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=4 V。電流環的輸出電流I0=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I0=7.2 mA。雖然這樣又帶來了電流環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

　　該方法減少了傳輸線的噪聲干擾和傳輸線的分布電阻產生的電壓降， 提高了數據通訊接口的可靠性和準確度，具有抗干擾能力強，數據傳輸準確的特點，在工業測量中具有廣闊的應用前景。