小信号双线变送器XTR101的原理和应用

    摘要：在恶劣的工业环境下远距离传送微北信号是测量系统的关键问题，B-B公司生产的XTR101型小信号双线变送器是一个理想的解决方案。本文介绍了它的性能和工作原理，给出了设计举例和应用电路，最后指出了使用中的一些注意事项。

    关键词：变送器  测量  零点调整  失调被偿  泠端补偿  XTR101

1 概述

    XTR101是一个精密、低漂移的双线变送器，它可以把微弱的电压信号进行放大并变换成4mA～20mA的电流信号后进行远距离传送。它由一个高精度的仪表放大器、压控输出电流源和2个精密的1mA电流源组成，图1是它的简化方框图。

    XTR101的失调电压为30μV，温漂0.75μV/℃，非线性度为0.01%。它可以用信号对电源电流进行调制，可在一对线上同时传输信号和电源。XTR101是以电流形式传输信号的，因此不受远距离传输线阻抗压降的影响，并对电机、继电器、电抗器、开关、变压器和其他工业设备的噪声具有很高的抗干扰能力。XTR101的供电电压范围宽，从11.6V～40V，额定工作温度范围从-40℃～40℃，采用小型14引脚双列直插式封装。

    正因为XTR101具有以上优点，所以它被广泛用于工业过程控制、生产自动化、压力和温度等非电量变换、远距离测量以及监控等系统中。

2 工作原理

    在图1电路中，A1和A2为单电源仪表放大器，它们控制着A3与Q1构成的电流源。根据图中的元件参数和到放大器的虚短和虚断等性，可得出输出电流Io的表达式为：

    Io=(40/Rs+0.016/Ω)eln+4mA

    由上式可见，当eIN=0时，Io=4mA；当eIN最大时，调节Rs可使Io=20mA。

3 设计要点

3.1 增益调节

    RS为增益调节电阻，调节Rs可使输入电压eIN在从最小值变到最大值时使输出电流Io从4mA变到20mA。即△I=16mA的输出电流。需要注意的是：为使Io不超过20mA，当Rs=∞时，eIN不应超过1V，而当Rs减小时，eIN也应相应减小。

3.2 输入偏置

    由于XTR101使用的是单电源，因此在正常工作时，信号输入端应加+5V左右的偏置电压。该电压可利用2个内部参考电流源或其中之一通过一个电阻产生，如图2中的R2。

    由于2个输入端都存在直流偏压，这就相当于在放大器的输入端存在一个共模电压，XTR101的技术指标中已经包含了这部分误差。如果偏置不是5V，而是另外一个共模电压CMV，则会在输入端引入（CMV-5）/CMRR的失调误差（CMRR是共模抑制比）。

3.3 零点调整

    XTR101可以把任何范围（小于1V）的电压信号变换为4～20mA的输出电流，它的任务就是在输入电压最小时使输出电流为4mA，即零点调整，也就是使零点能够上下偏移。可利用图2中的电阻R4和1mA的内部参考电流源在R4上所产生的压降V4来作为偏移电压进行零点调整。即调节R4，让其在e2`=(e2`)MIN时，使eIN=(e2`)MIN-V4=0。

4 设计举例及应用

4.1 设计举例

    在图2电路中，已知铂丝温度计在0℃时的电阻为100Ω，在266℃时的电阻为200Ω。用它来测量25℃～150℃的温度时，若使用XTR101进行放大和传输，则应使25℃时的输出电流为4mA，在150℃时的输出电流为20mA。

    （1）计算Rs：

    在图2中，铂丝温度计的敏感系数为△R/△T=100Ω/266℃，e`2为1mA电流流过它的所产生的电压，当温度从25℃变到150℃时，△T=125℃，则△eIN=1mA×(100Ω/266℃)×125℃=47mV，因此，Rs为：

    Rs=40/(16mA/47mV-0.016/Ω)=123.3Ω

    (2)计算R4：

    在25℃时

    （e`2）25℃=1mA×[(RT)0℃+△(RT)]

    =1mA×[100Ω+(100Ω/266℃)×25℃]

    =109.4mV

    为了使25℃时的Io=4mA，应使：

    eIN=(e`2)25℃-1mA×R4

    =109.4mV-1mA×R4

    =0

    因此：

    R4=109.4mV/1mA=109.4Ω

    (3)计算R2，检查共模电压：

    在25℃时，e2`=109.4V

    在150℃时，

    e2`=1mA[(RT)0℃+△RT]

    =1mA×[100Ω+(100Ω/266℃) ×150℃]

    =156.4mV

    由于e`2和V4=1mA×R4=109.4mV比偏置电压（5V）小得多，所以它们可以忽略，于是R2为：

    R2=5V/2mA=2.5kΩ

    这样，放大器的输入端电压为：

    （e2）MIN=5V+0.1094V

    e1=5V+0.1094V。

    这样，输入端电压将在4V～6V范围内变化。

4.2 应用电路

    XTR101在使用中经常像图3那样在8、12和9脚上外接一个晶体管TEXT。这个晶体管实际上是和内部晶体管并联的，用以分流内部晶体管的大部分电流，以减少芯片的功耗和温度变化，从而提高XTR101的精度和稳定性。但采用这样设计方式应确保外部晶体管的功率参数。

    XTR101的失调电压很小，在多数应用场合无须补偿 ，必要时可以像图3那样，在引脚1、2和14间接一电位器进行失调补偿。但不能用这个电位器进行零点调整。因为输出电流Io包含2mA的参考电流，所以2个电流源（引脚10和11）必须接到输出端（引脚7）；如果参考电流用于产生偏置电压或零点调整电压，则引脚10、11与引脚7之间的电压不能大于（Vcc-4V）。

    应保证输入电压工作在它们的线性工作范围之内，即e1和e2相对于引脚7的电压4V～6V之间。

    在选择电源Vps及负载RL（连同传输线电阻）时，要使输出在4～20mA变化，则应使电源Vcc（引脚8、7之间的电压）的范围处在11.6V～40V之间。

    Rs的引线应尽量短，以减小噪声干扰及引线电阻带来的增益误差。

    在靠近芯片的引脚7、8之间接一个0.01μF的电容来对Vcc旁路，可消除外部干扰的影响。

    二极管D1的作用是防止在电源电压极性接错时对芯片可能造成的损坏。

5 应用注意事项

    图4是一个热电偶测温电路。热电偶的输出电动热与工作端温度（被测温度）T1的对应关系通常是以冷端温度（环境温度）T2=0为标准进行标定的，当T2≠0时需进行冷端处理。图4中是利用二极管D的管压降经过分压后再由R6上的电压对热电偶迸行冷端补偿的。

    利用图5所示的电路可以把XTR101传输的4～20mA输出电流转换为0～20mA电流。