電壓電流變換電路設(shè)計(jì)

時(shí)間：2023-05-01 01:57:15 資料我要投稿

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電壓電流變換電路設(shè)計(jì)

電壓/電流變換電路設(shè)計(jì)

如圖1，這是由兩個(gè)運(yùn)放組成的實(shí)用電壓電流轉(zhuǎn)換電路。U8A構(gòu)成同相求和運(yùn)

算電路，U8B構(gòu)成電壓跟隨器。集成運(yùn)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(yùn)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(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)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(yùn)放的同相輸入端實(shí)際上有兩路信號(hào)，一路是輸入電壓Vi,另一路是U8B的輸出電壓Uo2，這樣當(dāng)輸入信號(hào)均作用于集成運(yùn)放的同一個(gè)輸入端，則可以實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算；對(duì)于集成運(yùn)放U8A，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的概念，集成運(yùn)放的凈輸入電流為零，所以有

UO1?UN1UN1，則U?(R38?1)U

O1N1?

R36R38R36

又因?yàn)槔硐爰蛇\(yùn)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(yùn)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(yùn)放U8B 構(gòu)成的就是一個(gè)電壓跟隨器，該電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，其反饋系數(shù)為1。由于理想集成運(yùn)放凈輸入電壓為零，即Un2=Up2,又因?yàn)閁n2=Uo2，所以Up2=Uo2,即輸入電壓等于輸出電壓。又因?yàn)槔硐爰蛇\(yùn)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(jiǎn)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(dǎo)知道IO?

，當(dāng)RP1確定后，輸出電流只與輸入電壓有關(guān)。RP1

當(dāng)輸入0～5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，要輸出0～10mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流，即RP1=500Ω。同理當(dāng)輸入1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)，要輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流，即RP1=250Ω。R36,R37,R38,R39 為四個(gè)平衡電阻，只要阻值相等就可以，設(shè)計(jì)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(jì)在原理上具有較好的線性關(guān)系。另外，負(fù)載與輸出電流無(wú)關(guān)，該電路也具有較強(qiáng)的帶負(fù)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(lái)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(jì) 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(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)化。前面已經(jīng)對(duì)電壓轉(zhuǎn)換為電流的電路作了詳細(xì)的分析，所以還是采用兩個(gè)集成運(yùn)放，由同相加法運(yùn)算電路和電壓跟隨器組成，前級(jí)加一個(gè)電阻和電容并聯(lián)，使輸入的電流在電阻兩端產(chǎn)生一個(gè)壓降，然后輸入到集成運(yùn)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(lái)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(biāo)準(zhǔn)電流0～10mA 和4～20mA，不是成一定的比例關(guān)系，當(dāng)輸入為0mA 電流時(shí)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(hào)，使得輸入電流信號(hào)為零時(shí)，輸出不為零。事實(shí)上這也是將零點(diǎn)進(jìn)行了移位�？紤]還是用二極管進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)化為了電壓信號(hào)，從集成運(yùn)放的同相輸入端輸入，電路引入了負(fù)反饋，U8C構(gòu)成同相求和運(yùn)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?

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(biāo)準(zhǔn)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(hào)進(jìn)行控制。還是利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)輸入為零電流時(shí)，只要二極管正端有電壓存在，二極管導(dǎo)通，將此電壓信號(hào)輸入到集成運(yùn)放U8C的同相輸入端，輸出一定的電流信號(hào)。就是說(shuō)，只要調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RP4，就可以使得輸入為零時(shí)，輸出不為零。確定輸入輸出電流的上限時(shí)，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(dāng)輸入0～10mA 電流時(shí)，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(fù)載電阻在原理上任意，不過(guò)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）