摘要：首先介紹了XTR系列集成電流變送器的產(chǎn)品分類及主要特點(diǎn),，然后闡述了XTR115的工作原理,，最后介紹了XTR115及XTR101的典型應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞：電流變送器；電流環(huán),；應(yīng)變橋,；保護(hù)電路
引言
集成電流變送器亦稱電流環(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4～20mA的電流信號(hào)（典型產(chǎn)品有1B21，1B22,，AD693,，AD694，XTR101,，XTR106和XTR115）,；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,。

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TI公司,。該系列產(chǎn)品包括XTR101,，XTR105，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(guò)程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等,。
1 XTR系列產(chǎn)品的分類及性能特點(diǎn)
XTR系列精密電流變送器產(chǎn)品的分類及主要特點(diǎn)詳見(jiàn)表1,。
表1 XTR系列產(chǎn)品的分類及主要特點(diǎn)


2 XTR115型電流變送器的工作原理
2.1 性能特點(diǎn)
1）它屬于二線制電流變送器，內(nèi)部的2.5V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4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)環(huán)路電流接近32mA時(shí)能自動(dòng)限流,。如果在腳3與腳5之間并聯(lián)一只電阻,，就可以改變限流值。
2）芯片中增加了＋5V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20×10－6／℃，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,，Us=7.5～36V,。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,。

2.2 工作原理
XTR115采用SO－8小型化封裝,，其內(nèi)部電路框圖及基本應(yīng)用電路如圖1所示。U＋為電源端,，接環(huán)路電源,。UREF為2.5V基準(zhǔn)電壓輸出端。II端接輸入電流,。IRET為基準(zhǔn)電壓源輸出電流和穩(wěn)壓器輸出電流的返回端,，可作為輸入電路的公共地。OUT為4～20mA電流輸出端,。UREG為＋5V穩(wěn)壓器的輸出端,。B和E端為外部功率管的接口,，分別接功率管的基極（B）和發(fā)射極（E）。功率管的集電極（C）接U＋端,。芯片內(nèi)部主要包括輸入放大器（A）,，電阻網(wǎng)絡(luò)，輸出晶體管（VT1）,，2.5V基準(zhǔn)電壓源和＋5V穩(wěn)壓器,。RLIM為內(nèi)部限流電阻。外圍元器件主要有輸入電阻（RI）,，功率管（VT2）,，環(huán)路電源（Us）和負(fù)載電阻（RL）。輸入電壓UI先經(jīng)過(guò)RI轉(zhuǎn)換成輸入電流II,，再經(jīng)過(guò)XTR115放大后從OUT端輸出4～20mA的電流信號(hào),。為減小失調(diào)電壓以及輸入放大器的漂移量，要求UI>0.5V,。輸出電流與輸入電流,、輸入電壓的關(guān)系由式（1）確定。
Io=100II=100UI／RI（1）
3 XTR系列產(chǎn)品的應(yīng)用電路
3.1 應(yīng)變橋電流變送器
由XTR115構(gòu)成應(yīng)變橋電流變送器的電路如圖2所示,。將腳3視為公共地,，由腳1給應(yīng)變橋提供＋2.5V的電源電壓。前置放大器采用TL061型單運(yùn)放（亦可采用OPA2277型雙運(yùn)放,，僅用其中的一個(gè)運(yùn)放）,，由＋5V穩(wěn)壓器單獨(dú)給運(yùn)放供電。RI為20kΩ輸入電阻,，C為降噪電容,，VT為外部NPN功率管，可選2N4922,，TIP29C或TIP31B等型號(hào),。以2N4922為例，其主要參數(shù)為UCEO=60V,，ICM=1A,，PCM=30W。該電路的工作原理是當(dāng)試件受力時(shí),，應(yīng)變橋輸出的電壓信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大器放大成0.8～4V的輸入電壓UI,，再通過(guò)RI轉(zhuǎn)換成40～200μA的輸入電流II，最后經(jīng)XTR115放大100倍后獲得4～20mA的電流,。
需要指出,，XTR115只能配NPN功率管，不能配MOS場(chǎng)效應(yīng)功率管,。外部功率管應(yīng)滿足XTR115對(duì)電壓,、電流的要求,，使用中還須給功率管裝上合適的散熱器。
3.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
保護(hù)電路應(yīng)兼有反向電壓保護(hù)與正向過(guò)壓保護(hù)兩種功能,。XTR115的保護(hù)電路如圖3所示,。反向電壓保護(hù)電路由二極管整流橋VD1～VD4組成，可防止因?qū)h(huán)路電源的極性接反而損壞芯片,。整流二極管可選用1N4148型高速硅開(kāi)關(guān)二極管，其主要參數(shù)為URM=75V,，Id=150mA,，trr=4ns。采用橋式保護(hù)電路之后就不用再考慮環(huán)路電源的極性,，因?yàn)?，無(wú)論Us的極性是否接反，它總能保證U＋端接得是正電壓,。鑒于在任何時(shí)刻整流橋上總有兩只二極管導(dǎo)通,，因此，在計(jì)算環(huán)路電壓ULOOP時(shí)須扣除兩只硅二極管的正向壓降（約為1.4V）,，由式（2）確定,。
ULOOP=Us－IORL－1.4（2）
過(guò)壓保護(hù)電路采用一只1N4753A型穩(wěn)壓管，其穩(wěn)定電壓為36V,，穩(wěn)定電流為7.0mA,。當(dāng)環(huán)路電壓過(guò)高時(shí)就被鉗位到36V。實(shí)驗(yàn)證明,，即使環(huán)路電壓達(dá)到65V,，XTR115也不會(huì)損壞。為了改善瞬態(tài)過(guò)壓保護(hù)特性,，還可采用Motorola公司生產(chǎn)的P6KE39A型瞬態(tài)電壓抑制器（其英文縮寫為TVS,，亦稱瞬變電壓抑制二極管）來(lái)代替穩(wěn)壓管。P6KE39A的鉗位電壓UB=39V,，鉗位時(shí)間僅為1ns,，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于齊納穩(wěn)壓管。
3.3 配J型熱電偶的電流變送器電路


由XTR101構(gòu)成帶冷端溫度補(bǔ)償功能的J型熱電偶輸入電路,，如圖4所示,。該電路可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)。Rs為滿量程（SPAN）設(shè)定電阻,，其電阻值由式（3）確定,。
Rs=40/[（ΔIo/U1）-0.016]（3）
式中：ΔIo=20mA－4mA=16mA。
例如,，當(dāng)UI=100mV時(shí),，由式（3）不難算出,，Rs=278Ω。Rs的引線應(yīng)盡量短,，以減小干擾,。當(dāng)Rs=∝時(shí)，UImax=1V,。Rp為調(diào)零電位器,，在0℃下調(diào)整Rp可使Io=4mA。冷端溫度補(bǔ)償電路由二極管VD1,，分壓電阻R1和R2組成,，R1及R2均采用精密金屬膜電阻。
J型熱電偶在－200℃～＋750℃測(cè)溫范圍內(nèi)的平均溫度系數(shù)αT=＋51.70μV／℃,。硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)αD≈－2.1mV/℃,，經(jīng)過(guò)R1和R2分壓后
αD′=αD·[R1/（R1+R2）]=－2.1×[51/（2×10 3+51）]=－52μV／℃≈－αT
因?yàn)?alpha;D′與αT的大小相等而方向相反，二者又分別接到XTR101的負(fù)輸入端和正輸入端上,，所以在室溫下二者能互相抵消,，從而實(shí)現(xiàn)了冷端溫度（即環(huán)境溫度）補(bǔ)償，使溫差熱電勢(shì)僅僅與被測(cè)溫度有關(guān)（e=αTT）,，不受環(huán)境溫度變化的影響,。XTR101能輸出兩路1mA激勵(lì)電流，分別接J型熱電偶和電阻分壓器,。反向電壓保護(hù)電路由VD2組成,，當(dāng)Us接反時(shí)VD2截止，電源不通,。正常工作時(shí)VD2導(dǎo)通,，環(huán)路電壓ULOOP=Us－IORL－0.7V。