电压电流变换电路设计

【www.longjiam.com--教学设计】

电压/电流变换电路设计

如图1，这是由两个运放组成的实用电压电流转换电路。U8A构成同相求和运

算电路，U8B构成电压跟随器。集成运放U8A的输出电压Uo1 与其同相输入端Up1 有关，而Up1 又与Uo2 有关，Uo2 又是集成运放U8B的输出电压，而U8B的输入电压即为RP1的另一端电压，只要求得RP1 上的电压降就可以知道流过RP1 的电流Io，如果压降能用输入电压的关系式表示，那么就可以完成电压到电流的转换。由于该电路相对结构简单，设计中主要采用该电路完成电压到电流的转换。

图1电压/电流转换电路

一、原理分析

如图1，集成运放的同相输入端实际上有两路信号，一路是输入电压Vi,另 一路是U8B的输出电压Uo2，这样当输入信号均作用于集成运放的同一个输入端，则可以实现加法运算；对于集成运放U8A，根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电流为零，所以有

UO1?UN1UN1，则U?(R38?1)U

O1N1?

R36R38R36

又因为理想集成运放净输入电压为零，则Un1=Up1，所以上式为

R38

?1)UP1 R36

在同相比例运算电路中，若将输出电路的全部反馈都加到反相输入端，就构成了电压跟随器。即图中集成运放U8B 构成的就是一个电压跟随器，该电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1。由于理想集成运放净输入电压为零，即Un2=Up2,又因为Un2=Uo2，所以Up2=Uo2,即输入电压等于输出电压。又因为理想集成运放净输入电流为零，则有 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,则上式简化为URP1?Ui 所以得到IO?

UiURP1

?

RP1RP1

即输出电流随输入电压的改变而改变。

二、参数确定

由上面的分析和推导知道IO?

Ui

，当RP1确定后，输出电流只与输入电压有关。RP1

当输入0～5V 标准电压时，要输出0～10mA 的标准电流，即RP1=500Ω。同理当输入1～5V标准电压时，要输出4～20mA的标准电流，即RP1=250Ω。R36,R37,R38,R39 为四个平衡电阻，只要阻值相等就可以，设计电路中取R36=R37=R38=R39=47k。在这种情况下，输出电流与输入电压以1/RP1 为比例系数成线性关系，所以该设计在原理上具有较好的线性关系。另外，负载与输出电流无关，该电路也具有较强的带负载能力。

由于任务要将0~5V电压转换成4~20mA电流量，而图1的电路只能将0~5V电压转换为0~10mA电流量或将1~5V电压转换成4~20mA电流量，因此我引入了将0~10mA电流量转换成4~20mA电流量的转换电路，来完成0~5V电压转换成4~20mA电流量的转换。 0~10mA电流量转换成4~20mA电流量的转换电路的设计 一、方案确立

在电子线路技术中，很少有将电流直接转换成电流的电路，所以考虑先将输入电流转化为电压，再进行电压到电流的转化。前面已经对电压转换为电流的电路作了详细的分析，所以还是采用两个集成运放，由同相加法运算电路和电压跟随器组成，前级加一个电阻和电容并联，使输入的电流在电阻两端产生一个压降，然后输入到集成运放的同相输入端，完成电压到电流的转换，从电路的整体来看，即完成了电流到电流的转换。见下图2

图2电流/电流转换框图

同样地，由于标准电流0～10mA 和4～20mA，不是成一定的比例关系，当输入为0mA 电流时要求输出为4mA 的电流，输出电流的下限提高了，所以同样考虑在输入端加一路信号，使得输入电流信号为零时，输出不为零。事实上这也是将零点进行了移位。考虑还是用二极管进行限压。 二、、原理分析

如图3所示，输入电流在R44两端产生一定的压降，即先将电流信号转化为了电 压信号，从集成运放的同相输入端输入，电路引入了负反馈，U8C构成同相求和运算电路，

U8D构成电压跟随器。根据图1电压/电流电路的分析，已经得到

IO?

Ui

RP3

Ui?R44

RP3

上式中Ui=Ii?R44,所以 IO?

得到了输入电流与输出电流的关系式。从式子上分析，输出电流和输入电流成一定的线性关系。由于标准电流0～10mA 和4～20mA，不成比例关系，则在输入端加了一路信号进行控制。还是利用二极管的单向导电性进行设计。当输入为零电流时，只要二极管正端有电压存在，二极管导通，将此电压信号输入到集成运放U8C的同相输入端，输出一定的电流信号。就是说，只要调节滑动变阻器RP4，就可以使得输入为零时，输出不为零。确定输入输出电流的上限时，分析最高输入10mA 与最高输出20mA 成两倍的关系，可以确定R44/RP3 的比值。 三、、 参数确定

当输入0～10mA 电流时，R44=1k，则有0～10V输入电压；输出为4～20mA电流，根据式IO?

Ui?R44

，确定RP3 为500Ω。输入控制端，R43=1k，R2 取10k的变

RP3

阻器，平衡电阻只要满足R40=R41=R42=R45 即可，负载电阻在原理上任意，不过为了控制输出电压的大小，取R=200Ω。

图3电流/电流转换电路

电压/电流变换电路PROTEUS仿真

图4（a）输入电压0v的输出量情况

图4（b）输入电压5v的输出量情况

4.989

0.02002

输入电压（V）

图5 V/I仿真曲线图

完成时间：2011年7月30日 制图人：潘美江

本文来源：http://www.longjiam.com/jiaoanxiazai/53466.html