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電壓電流變換電路設(shè)計
電壓/電流變換電路設(shè)計
如圖1，這是由兩個運放組成的實用電壓電流轉(zhuǎn)換電路。U8A構(gòu)成同相求和運
算電路，U8B構(gòu)成電壓跟隨器。集成運放U8A的輸出電壓Uo1 與其同相輸入端Up1 有關(guān)，而Up1 又與Uo2 有關(guān)，Uo2 又是集成運放U8B的輸出電壓，而U8B的輸入電壓即為RP1的另一端電壓，只要求得RP1 上的電壓降就可以知道流過RP1 的電流Io，如果壓降能用輸入電壓的關(guān)系式表示，那么就可以完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換。由于該電路相對結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計中主要采用該電路完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換。
圖1電壓/電流轉(zhuǎn)換電路
一、原理分析
如圖1，集成運放的同相輸入端實際上有兩路信號，一路是輸入電壓Vi,另 一路是U8B的輸出電壓Uo2，這樣當輸入信號均作用于集成運放的同一個輸入端，則可以實現(xiàn)加法運算；對于集成運放U8A，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運放的凈輸入電流為零，所以有
UO1?UN1UN1，則U?(R38?1)U
O1N1?
R36R38R36
又因為理想集成運放凈輸入電壓為零，則Un1=Up1，所以上式為
R38
?1)UP1 R36
在同相比例運算電路中，若將輸出電路的全部反饋都加到反相輸入端，就構(gòu)成了電壓跟隨器。即圖中集成運放U8B 構(gòu)成的就是一個電壓跟隨器，該電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，其反饋系數(shù)為1。由于理想集成運放凈輸入電壓為零，即Un2=Up2,又因為Un2=Uo2，所以Up2=Uo2,即輸入電壓等于輸出電壓。又因為理想集成運放凈輸入電流為零，則有 Ui?UP1UP1?UO2
? R37R39
R39R37
Ui?Up2 所以由式得到：UP1?
R37?R39R37?R39R38R39R37
URP1?UO1?UP2?(1?)(Ui?Up2)?UP2
R36R37?R39R37?R39UO1?(
若R36=R37=R38=R39,則上式簡化為URP1?Ui 所以得到IO?
UiURP1
?
RP1RP1
即輸出電流隨輸入電壓的改變而改變。
二、參數(shù)確定
由上面的分析和推導知道IO?
Ui
，當RP1確定后，輸出電流只與輸入電壓有關(guān)。RP1
當輸入0～5V 標準電壓時，要輸出0～10mA 的標準電流，即RP1=500Ω。同理當輸入1～5V標準電壓時，要輸出4～20mA的標準電流，即RP1=250Ω。R36,R37,R38,R39 為四個平衡電阻，只要阻值相等就可以，設(shè)計電路中取R36=R37=R38=R39=47k。在這種情況下，輸出電流與輸入電壓以1/RP1 為比例系數(shù)成線性關(guān)系，所以該設(shè)計在原理上具有較好的線性關(guān)系。另外，負載與輸出電流無關(guān)，該電路也具有較強的帶負載能力。
由于任務(wù)要將0~5V電壓轉(zhuǎn)換成4~20mA電流量，而圖1的電路只能將0~5V電壓轉(zhuǎn)換為0~10mA電流量或?qū)?~5V電壓轉(zhuǎn)換成4~20mA電流量，因此我引入了將0~10mA電流量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流量的轉(zhuǎn)換電路，來完成0~5V電壓轉(zhuǎn)換成4~20mA電流量的轉(zhuǎn)換。 0~10mA電流量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流量的轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 一、方案確立
在電子線路技術(shù)中，很少有將電流直接轉(zhuǎn)換成電流的電路，所以考慮先將輸入電流轉(zhuǎn)化為電壓，再進行電壓到電流的轉(zhuǎn)化。前面已經(jīng)對電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路作了詳細的分析，所以還是采用兩個集成運放，由同相加法運算電路和電壓跟隨器組成，前級加一個電阻和電容并聯(lián)，使輸入的電流在電阻兩端產(chǎn)生一個壓降，然后輸入到集成運放的同相輸入端，完成電壓到電流的轉(zhuǎn)換，從電路的整體來看，即完成了電流到電流的轉(zhuǎn)換。見下圖2
圖2電流/電流轉(zhuǎn)換框圖
同樣地，由于標準電流0～10mA 和4～20mA，不是成一定的比例關(guān)系，當輸入為0mA 電流時要求輸出為4mA 的電流，輸出電流的下限提高了，所以同樣考慮在輸入端加一路信號，使得輸入電流信號為零時，輸出不為零。事實上這也是將零點進行了移位。考慮還是用二極管進行限壓。 二、、原理分析
如圖3所示，輸入電流在R44兩端產(chǎn)生一定的壓降，即先將電流信號轉(zhuǎn)化為了電 壓信號，從集成運放的同相輸入端輸入，電路引入了負反饋，U8C構(gòu)成同相求和運算電路，
U8D構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)圖1電壓/電流電路的分析，已經(jīng)得到
IO?
Ui
RP3
Ui?R44
RP3
上式中Ui=Ii?R44,所以 IO?
得到了輸入電流與輸出電流的關(guān)系式。從式子上分析，輸出電流和輸入電流成一定的線性關(guān)系。由于標準電流0～10mA 和4～20mA，不成比例關(guān)系，則在輸入端加了一路信號進行控制。還是利用二極管的單向?qū)щ娦赃M行設(shè)計。當輸入為零電流時，只要二極管正端有電壓存在，二極管導通，將此電壓信號輸入到集成運放U8C的同相輸入端，輸出一定的電流信號。就是說，只要調(diào)節(jié)滑動變阻器RP4，就可以使得輸入為零時，輸出不為零。確定輸入輸出電流的上限時，分析最高輸入10mA 與最高輸出20mA 成兩倍的關(guān)系，可以確定R44/RP3 的比值。 三、、 參數(shù)確定
當輸入0～10mA 電流時，R44=1k，則有0～10V輸入電壓；輸出為4～20mA電流，根據(jù)式IO?
Ui?R44
，確定RP3 為500Ω。輸入控制端，R43=1k，R2 取10k的變
RP3
阻器，平衡電阻只要滿足R40=R41=R42=R45 即可，負載電阻在原理上任意，不過為了控制輸出電壓的大小，取R=200Ω。
圖3電流/電流轉(zhuǎn)換電路
電壓/電流變換電路PROTEUS仿真
圖4（a）輸入電壓0v的輸出量情況
圖4（b）輸入電壓5v的輸出量情況
4.989
0.02002
輸入電壓（V）
圖5 V/I仿真曲線圖
完成時間：2011年7月30日 制圖人：潘美江
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