小信号双线变送器XTR101的原理和应用

2006-05-07 15:49:53来源: 国外电子元器件

    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。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200605/2392.html
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