小信號雙線變送器XTR101的原理和應用

摘要：在惡劣的工業(yè)環(huán)境下遠距離傳送微北信號是測量系統(tǒng)的關鍵問題，B-B公司生產的XTR101型小信號雙線變送器是一個理想的解決方案。本文介紹了它的性能和工作原理，給出了設計舉例和應用電路，最后指出了使用中的一些注意事項。

關鍵詞：變送器 測量 零點調整 失調被償 泠端補償 XTR101

1 概述

XTR101是一個精密、低漂移的雙線變送器，它可以把微弱的電壓信號進行放大并變換成4mA～20mA的電流信號后進行遠距離傳送。它由一個高精度的儀表放大器、壓控輸出電流源和2個精密的1mA電流源組成，圖1是它的簡化方框圖。

XTR101的失調電壓為30μV，溫漂0.75μV/℃，非線性度為0.01%。它可以用信號對電源電流進行調制，可在一對線上同時傳輸信號和電源。XTR101是以電流形式傳輸信號的，因此不受遠距離傳輸線阻抗壓降的影響，并對電機、繼電器、電抗器、開關、變壓器和其他工業(yè)設備的噪聲具有很高的抗干擾能力。XTR101的供電電壓范圍寬，從11.6V～40V，額定工作溫度范圍從-40℃～40℃，采用小型14引腳雙列直插式封裝。

正因為XTR101具有以上優(yōu)點，所以它被廣泛用于工業(yè)過程控制、生產自動化、壓力和溫度等非電量變換、遠距離測量以及監(jiān)控等系統(tǒng)中。

2 工作原理

在圖1電路中，A1和A2為單電源儀表放大器，它們控制著A3與Q1構成的電流源。根據圖中的元件參數和到放大器的虛短和虛斷等性，可得出輸出電流Io的表達式為：

Io=(40/Rs+0.016/Ω)eln+4mA

由上式可見，當eIN=0時，Io=4mA；當eIN最大時，調節(jié)Rs可使Io=20mA。

3 設計要點

3.1 增益調節(jié)

RS為增益調節(jié)電阻，調節(jié)Rs可使輸入電壓eIN在從最小值變到最大值時使輸出電流Io從4mA變到20mA。即△I=16mA的輸出電流。需要注意的是：為使Io不超過20mA，當Rs=∞時，eIN不應超過1V，而當Rs減小時，eIN也應相應減小。

3.2 輸入偏置

由于XTR101使用的是單電源，因此在正常工作時，信號輸入端應加+5V左右的偏置電壓。該電壓可利用2個內部參考電流源或其中之一通過一個電阻產生，如圖2中的R2。

由于2個輸入端都存在直流偏壓，這就相當于在放大器的輸入端存在一個共模電壓，XTR101的技術指標中已經包含了這部分誤差。如果偏置不是5V，而是另外一個共模電壓CMV，則會在輸入端引入（CMV-5）/CMRR的失調誤差（CMRR是共模抑制比）。

3.3 零點調整

XTR101可以把任何范圍（小于1V）的電壓信號變換為4～20mA的輸出電流，它的任務就是在輸入電壓最小時使輸出電流為4mA，即零點調整，也就是使零點能夠上下偏移?？衫脠D2中的電阻R4和1mA的內部參考電流源在R4上所產生的壓降V4來作為偏移電壓進行零點調整。即調節(jié)R4，讓其在e2`=(e2`)MIN時，使eIN=(e2`)MIN-V4=0。

4 設計舉例及應用

4.1 設計舉例

在圖2電路中，已知鉑絲溫度計在0℃時的電阻為100Ω，在266℃時的電阻為200Ω。用它來測量25℃～150℃的溫度時，若使用XTR101進行放大和傳輸，則應使25℃時的輸出電流為4mA，在150℃時的輸出電流為20mA。

（1）計算Rs：

在圖2中，鉑絲溫度計的敏感系數為△R/△T=100Ω/266℃，e`2為1mA電流流過它的所產生的電壓，當溫度從25℃變到150℃時，△T=125℃，則△eIN=1mA×(100Ω/266℃)×125℃=47mV，因此，Rs為：

Rs=40/(16mA/47mV-0.016/Ω)=123.3Ω

(2)計算R4：

在25℃時

（e`2）25℃=1mA×[(RT)0℃+△(RT)]

=1mA×[100Ω+(100Ω/266℃)×25℃]

=109.4mV

為了使25℃時的Io=4mA，應使：

eIN=(e`2)25℃-1mA×R4

=109.4mV-1mA×R4

=0

因此：

R4=109.4mV/1mA=109.4Ω

(3)計算R2，檢查共模電壓：

在25℃時，e2`=109.4V

在150℃時，

e2`=1mA[(RT)0℃+△RT]

=1mA×[100Ω+(100Ω/266℃) ×150℃]

=156.4mV

由于e`2和V4=1mA×R4=109.4mV比偏置電壓（5V）小得多，所以它們可以忽略，于是R2為：

R2=5V/2mA=2.5kΩ

這樣，放大器的輸入端電壓為：

（e2）MIN=5V+0.1094V

e1=5V+0.1094V。

這樣，輸入端電壓將在4V～6V范圍內變化。

4.2 應用電路

XTR101在使用中經常像圖3那樣在8、12和9腳上外接一個晶體管TEXT。這個晶體管實際上是和內部晶體管并聯(lián)的，用以分流內部晶體管的大部分電流，以減少芯片的功耗和溫度變化，從而提高XTR101的精度和穩(wěn)定性。但采用這樣設計方式應確保外部晶體管的功率參數。

XTR101的失調電壓很小，在多數應用場合無須補償 ，必要時可以像圖3那樣，在引腳1、2和14間接一電位器進行失調補償。但不能用這個電位器進行零點調整。因為輸出電流Io包含2mA的參考電流，所以2個電流源（引腳10和11）必須接到輸出端（引腳7）；如果參考電流用于產生偏置電壓或零點調整電壓，則引腳10、11與引腳7之間的電壓不能大于（Vcc-4V）。

應保證輸入電壓工作在它們的線性工作范圍之內，即e1和e2相對于引腳7的電壓4V～6V之間。

在選擇電源Vps及負載RL（連同傳輸線電阻）時，要使輸出在4～20mA變化，則應使電源Vcc（引腳8、7之間的電壓）的范圍處在11.6V～40V之間。

Rs的引線應盡量短，以減小噪聲干擾及引線電阻帶來的增益誤差。

在靠近芯片的引腳7、8之間接一個0.01μF的電容來對Vcc旁路，可消除外部干擾的影響。

二極管D1的作用是防止在電源電壓極性接錯時對芯片可能造成的損壞。

5 應用注意事項

圖4是一個熱電偶測溫電路。熱電偶的輸出電動熱與工作端溫度（被測溫度）T1的對應關系通常是以冷端溫度（環(huán)境溫度）T2=0為標準進行標定的，當T2≠0時需進行冷端處理。圖4中是利用二極管D的管壓降經過分壓后再由R6上的電壓對熱電偶迸行冷端補償的。

利用圖5所示的電路可以把XTR101傳輸的4～20mA輸出電流轉換為0～20mA電流。