LM324電壓轉(zhuǎn)電流模塊的電路圖PCB與原理分析等資料下載

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下面這篇文章是詳細的原理分析：

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種變換器在自動控制，數(shù)字儀表，無線電設(shè)備及遠距離信號傳輸?shù)确矫�，都已得到廣泛的應(yīng)用。常用的信號轉(zhuǎn)換電路有采樣/保持（S/H）電路、電壓比較電路、V/f（電壓/頻率）轉(zhuǎn)換器、f/V（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換器、V/I（電壓/電流）轉(zhuǎn)換器、I/V（電流/電壓）轉(zhuǎn)換器、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器、D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器等。
    在自動化測控系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)可靠性，加快研制周期，一般采用DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型電動組合單元（儀表），實現(xiàn)對非電量如溫度、壓力、流量、液位、位移等信號的測量，以及各類電動執(zhí)行器，變頻調(diào)速器等的輸出控制。DDZ-Ⅱ型儀表輸出0～10mA標準電流信號。DDZ-Ⅲ型儀表輸出4～20mA標準電流信號。大部分微機控制系統(tǒng)外部輸入的是模擬電壓信號，輸出的也是模擬電壓信號，因此為了和Ⅱ型、Ⅲ型儀表的輸入輸出信號相匹配，需要用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換。

V/I（電壓/電流）轉(zhuǎn)換器的作用是將電壓轉(zhuǎn)換為電流信號。例如，在遠距離監(jiān)控系統(tǒng)中，必須把監(jiān)控電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號進行傳輸，以減少傳輸導(dǎo)線阻抗對信號的影響。I/V（電流/電壓）轉(zhuǎn)換器進行電流、電壓信號間的轉(zhuǎn)換。例如，對電流進行數(shù)字測量時，首先需將電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后再由數(shù)字電壓表進行測量。在用光電池、光電阻作檢測元件時，由于它們的輸出電阻很高，因此可把他們看作電流源，通常情況下其電流的數(shù)值極小，所以是一種微電流的測量。隨著激光、光纖技術(shù)在精密測量儀器中的普及應(yīng)用，微電流放大器越來越占有重要的位置。

在這次設(shè)計中，主要是實現(xiàn)工業(yè)標準上的電壓（0～5V、1～5V）和工業(yè)標準上的電流（0～10mA、4～20mA）的互相轉(zhuǎn)換。

1  方案設(shè)計與論證

1.1 設(shè)計要求

1.2 方案設(shè)計與論證

1.2.1集成電流電壓變換電路

許多集成芯片都能完成電流/電壓,電壓/電流的轉(zhuǎn)換。如ZF2B20高精度V/I變換器，輸入電壓范圍0～10V，輸出電流范圍4～20mA;又如AD694是美國AD公司生產(chǎn)的V/I變換器轉(zhuǎn)換精度高，使用方便，通過改變引腳的不同接法，可以選擇多種電壓輸入范圍。對應(yīng)輸出0～20mA、4～20mA電流信號；XTR110是精密V/I變換器，它可將0～5V或1～10V電壓信號變換成4～20mA、0～20mA、5～25mA電流輸出或其它電流范圍；還有RCV420是精密I/V變換器，它能將4～20mA的環(huán)路電流變換成0～5V的電壓輸出。

雖然這些集成變換器在一定程度上能滿足指標要求，但是考慮到集成芯片價格比較昂貴，并且在技術(shù)設(shè)計上沒有多大的意義，所以本次設(shè)計主要采用集成運放等元件來完成電流—電壓,電壓—電流,電壓—電壓,電流—電流之間的轉(zhuǎn)換。

1.2.2總體電路設(shè)計方案

利用多路開關(guān)間的切換來實現(xiàn)通道的選擇，整體電路由各個模塊電路組成，各個模塊電路主要完成電流—電壓,電壓—電流,電壓—電壓,電流—電流之間的轉(zhuǎn)換。如圖1.1

圖1.1  總體電路框圖

2  各模塊電路設(shè)計

2.1 電流/電壓變換電路

2.1.1方案確立

在模擬量輸入輸出通道中，電流/電壓變換是一個不可缺少的重要部分。變送器輸出的信號為0～10mA或4～20mA統(tǒng)一信號，需要經(jīng)過I/V變換變成電壓信號后才能處理。對于電動單元組合儀表，DDZ-Ⅱ型儀表輸出0～10mA標準電流信號,DDZ-Ⅲ型和DDZ-S儀表輸出4～20mA標準電流信號,針對上訴情況設(shè)計和分析，可以采用下面兩種電流電壓變換的實現(xiàn)方法。

（1）無源I/V變換

無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護措施，如圖2.1所示

圖2.1  無源I/V變換

圖中R1和C構(gòu)成無源濾波電路，即RC低通濾波電路，起到濾波的作用；二極管一端加固定電壓+5V，在另一端若有加至高于5V電壓，在滿足二極管一定特性的情況下，二極管將正向?qū)�通，所以在這里二極管起到了限幅的作用，輸出電壓V=R2*I，即可使輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓形式輸出。

（2）有源I/V變換

有源I/V變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成，如圖2.2所示。圖中利用運算放大器進行對輸入信號的放大。如圖虛線的左端是將輸入電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘�，輸入電流由于電容C的存在使R1兩端產(chǎn)生一定的壓降，然后由運算放大器實現(xiàn)電壓放大，從而完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

比較無源I/V變換和有源I/V變換，有源I/V變換在實際應(yīng)用中更為廣泛，而且可調(diào)性強，便于電路的調(diào)試，所以設(shè)計中選用有源I/V變換完成電流電壓轉(zhuǎn)換。

圖2.2  有源I/V變換

2.1.2 原理分析

    如圖2.3，利用同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋，電路從輸出電壓取樣，通過反饋網(wǎng)絡(luò)得到反饋電壓，然后與輸入電壓相比較，求得差值作為凈輸入電壓進行放大，它將輸出電壓的全部作為反饋電壓。

圖2.3  同相比例運算電路

若輸入電壓Ui對R1和R2所組成的反饋網(wǎng)絡(luò)的作用忽略不計，即可認為R1上的電壓

              Uo≈(1+)Ui                                      (2.1)

    應(yīng)當(dāng)指出，上述結(jié)論是有條件的。只有在虛斷（認為集成運放的同相輸入端和反相輸入端的電流趨近于零），才能忽略Ui對反饋網(wǎng)絡(luò)的作用；只有在虛短（認為集成運放的同相輸入端和反相輸入端的電壓近似相等），才能忽略凈輸入電壓，使Ui≈Uf。實際上，只有在集成運放的開環(huán)差模增益Aod和差模輸入電阻均趨近于無窮大時，才會在集成運放的輸入端存在“虛斷”和“虛短”。雖然同相比例運算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點，但因為集成運放有共模輸入，所以在實際的設(shè)計中，為了提高運算精度，應(yīng)當(dāng)選用高共模抑制比的集成運放。

2.1.3參數(shù)確定

由圖2.3的分析,假設(shè)R1=200Ω,那么當(dāng)輸入0～10mA電流信號時,R1兩端產(chǎn)生的壓降為0～2V,要使其產(chǎn)生0～5V的輸出電壓,那么確定其放大倍數(shù)為2.5,即A=2.5,根據(jù)同相放大電路的放大倍數(shù)

A=1+                              （2.2）

如果R4=150K,R3=100K,滿足A=2.5,由于R2、R5參數(shù)的確定與電路沒有多大影響，理論上設(shè)計給定R2=100k, R5=10k。所以設(shè)計得到0～10mA/0～5V電流/電壓變換電路。如圖2.4

同理，假設(shè)R1=200Ω,那么當(dāng)輸入4～20mA電流信號時,R1兩端產(chǎn)生的壓降為0.8～4V,要使其產(chǎn)生1～5V的輸出電壓,那么確定其放大倍數(shù)為1.25,即A=1.25。根據(jù)式（2.2）同相放大電路的放大倍數(shù)，如果R4=25K,R3=100K,滿足A=1.25,由于R2、R5參數(shù)的確定與電路沒有多大影響，理論設(shè)計R2=100k,R5=10k。同樣設(shè)計得到4～20mA/1～5V電流/電壓變換電路。如圖2.5

圖2.4  0～10mA/0～5V電流/電壓變換電路

圖2.5  4～20mA/0～5V電流/電壓變換電路

2.2 電壓/電流變換電路

2.2.1方案確立

（1）基本電路

在控制系統(tǒng)中，為了驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，如記錄儀、續(xù)電器等，常需要將電壓轉(zhuǎn)換為電流。一般在放大電路中引入合適的反饋，可以實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換。

如圖2.6所示為實現(xiàn)電壓/電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。實際上該電路是一個反相比例運算電路，故輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相。電阻RL跨接在集成運放的輸出端和反相輸入端，引入了電壓并聯(lián)負反饋。同相輸入端通過電阻R1接地，R1為補償電阻，以保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性；其值為Ui=0（即將輸入端接地）時反相輸入端總等效電阻，即各支路電阻的并聯(lián)，所以，R1=R//RL。

由于理想運放的凈輸入電流均為零，故R1中電流為零，所以 Un=Up=0，則負載電流                                 

圖2.6  電壓/電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路

（2）豪蘭德(Howland)電流源電路

在實用電路中，常常需要負載電阻RL有接地端，為此產(chǎn)生了如圖2.7所示的豪蘭德電流源電路。由于該電路引入深度負反饋，可以認為集成運放的兩個輸入端電位Un≈Up,電流In≈Ip≈0,因此在結(jié)點N的電流方程為

                                            

因而N點的電位   

                    (2.4)

結(jié)點P的電流方程

                                                   

                                              (2.5)

由上推導(dǎo)，P點的電壓近似等于N點的電壓，即Un≈ Up，并假設(shè)R2/R1=R3/R,利用式（2.4）和式（2.5）相等的關(guān)系，得到Io=-Ui/R，由于輸出電流與輸入電壓反相，不符合設(shè)計要求，所以也不采用此方法進行設(shè)計。

圖2.7  豪蘭德電流源電路

（3）實用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

如圖2.8（a）所示是由運放和電阻，電容，三極管等元件組成的電壓/電流變換電路，能將直流電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成電流信號，A1是比較器，A3是電壓跟隨器，構(gòu)成負反饋回路，輸入電壓Vi與反饋電壓Vf比較，在比較器A1的輸出端得到輸出電壓V1,V1控制運放A2的輸出電壓V2，從而改變晶體管T1的輸出電流I，而輸出電流I又影響反饋電壓Vf，達到跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流I的大小可通過Vf/（Rw+R7）計算，由于負反饋作用使Vi=Vf，因此輸出電流就等于Vi/（Rw+R7），這樣表明輸出電流隨輸入電壓的變化而變化有關(guān)，即達到了電壓到電流的轉(zhuǎn)換。

但是考慮這樣的設(shè)計需要的集成運放數(shù)較多，加上有三極管的參與，可能在實際電路的調(diào)試上有一定的難度，所以也不采用此電路進行設(shè)計。

圖2.8（a）  實用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

如圖2.8(b)，Vf是輸出電流I流過電阻Rf產(chǎn)生的反饋電壓，即V1與V2兩點之間的電壓差，此信號經(jīng)電阻R3、R4加到運放A1的兩個輸入端Vp與Vn，反饋電壓Vf= V1-V2，對于運放A1，有同相輸入端電壓和反相輸入端電壓分別為：

                               （2.6）

因為理想運放的同相輸入端和反相輸入端近似相等，即Vp=Vn

所以    Vn                         （2.7）

根據(jù)Vf=V1-V2及(2.7)式可以推導(dǎo)得到：     （2.8）

如果R1=R2,R3=R4,則由式（2.8）得：                    （2.9）

由式（2.9）得到，如果忽略流過反饋回路的電流，

則有；                                               （2.10）

由此可以看出，當(dāng)運放的開環(huán)增益足夠大時，輸出電流與輸入電壓滿足線性關(guān)系。當(dāng) R1和R4的阻值確定后，關(guān)系式只與反饋電阻的阻值有關(guān)。

當(dāng)R1=R2=100k,R3=R4=20k時，，則有                  

所以當(dāng)Rf=100Ω時，輸入0～5V電壓即可輸出0～10mA電流；當(dāng)Rf=50Ω時，輸入1～5V電壓即可輸出4～20mA電流。電路設(shè)計中存在三極管，另還要加一路電源使三極管工作，電源的大小影響三極管的正常工作。選用電流放大倍數(shù)較高的三極管。

圖2.8（b）  實用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

如圖2.8(c)，這是由兩個運放組成的實用電壓電流轉(zhuǎn)換電路。A1構(gòu)成同相求和運算電路，A2構(gòu)成電壓跟隨器。集成運放A1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A2的輸出電壓，而A2的輸入電壓即為Ro的另一端電壓，只要求得Ro上的電壓降就可以知道流過Ro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2.8（c）  實用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

2.2.2原理分析

如圖2.8（c），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A2的輸出電壓Uo2，這樣當(dāng)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A1，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

，則

又因為理想集成運放凈輸入電壓為零，則Un1=Up1，所以上式為

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A2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

                                                 (2.11)

                               （2.13）

若R1=R2=R3=R4,則上式簡化為                                （2.14）

所以得到                                             （2.15）

即輸出電流隨輸入電壓的改變而改變。

2.2.3 參數(shù)確定

由上面的分析和推導(dǎo)知道，當(dāng)Ro確定后，輸出電流只與輸入電壓有關(guān)。當(dāng)輸入0～5V標準電壓時，要輸出0～10mA的標準電流，即Ro=500Ω。同理當(dāng)輸入1～5V標準電壓時，要輸出4～20mA的標準電流，即Ro=250Ω。R1,R2,R3,R4為四個平衡電阻，只要阻值相等就可以，設(shè)計電路中取R1=R2=R3=R4=47k。

在這種情況下，輸出電流與輸入電壓以1/Ro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。

2.3電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路

供電電源是一切電子儀器和其他電子設(shè)備的能量來源，電源的穩(wěn)定性是決定整個儀器和設(shè)備的穩(wěn)定性的主要參數(shù)，對電源除了穩(wěn)定性指標外，還常有精度的要求，通常可以將精度不高的供電電源，利用電壓/電壓變換電路轉(zhuǎn)換成近乎理想的高精度穩(wěn)定電壓，這種電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路可以利用集成運放在閉環(huán)狀態(tài)下工作時所特有的低輸出阻抗以及電壓增益可調(diào)的特性來構(gòu)成。另外，電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路還可以將標準電壓放大或縮小，從而獲得各種所需值的穩(wěn)定電壓。因此，電壓/電壓變換電路也可稱電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器在直流穩(wěn)壓電源中應(yīng)用十分廣泛。

集成運放的應(yīng)用首先表現(xiàn)在它能構(gòu)成各種運算電路。在運算電路中，以輸入電壓為自變量，以輸出電壓作為函數(shù)；當(dāng)輸入電壓變換時。輸出電壓將按一定的數(shù)學(xué)規(guī)律變化，即輸出電壓反映輸入電壓某種運算的結(jié)果。所以在電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中，還是采用集成運放來構(gòu)成該功能電路。

2.3.1方案確立

（1）電壓/電壓轉(zhuǎn)換基本電路

如圖2.9所示，是電壓/電壓變換的基本電路，圖中標準穩(wěn)壓管Dz作為集成運放的負反饋元件。因而可以利用穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓來建立穩(wěn)定的集成運放輸入電流I1,使該電流的溫度穩(wěn)定性達到與標準穩(wěn)壓管的溫度穩(wěn)定性相同的量級，I1可以用下式計算：

由于集成運放的隔離作用，供電電源與負載關(guān)系不大，因而能在較寬廣的溫度范圍內(nèi)以及負載變動的情況下獲得穩(wěn)定的輸出電壓

如果變換 R2、R3的比例關(guān)系可以使得，輸出電壓Vo變化；當(dāng)R2、R3成一定比例不變時，輸出電壓為恒定值。實際上這就是一個穩(wěn)壓電路，通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。但是這種電路設(shè)計，不符合設(shè)計要求，即輸出電壓不是隨輸入電壓的變化而變化。

圖2.9  電壓/電壓轉(zhuǎn)換基本電路

（2）比例電路實現(xiàn)電壓/電壓轉(zhuǎn)換

前面已經(jīng)介紹過，如圖2.6，是一個反相比例電路，由上述分析我們可以知道

由式（2.16）可得，Uo與Ui成比例關(guān)系，比例系數(shù)為-RL/R，負號表示Uo與Ui反相。比例系數(shù)的數(shù)值可以是大于、等于和小于1的任何值。因為電路引入了深度電壓負反饋，且1+AF=∞ ，所以輸出電阻 Ro=0，電路帶負載后運算關(guān)系不變。因為從電路輸入端和地之間看進去的等效電阻等于輸入端和虛地之間看進去的等效電阻，所以電路的輸入電阻Ri=R。可見，雖然理想運放的輸入電阻為無窮大，但是由于電路引入的是并聯(lián)負反饋，反相比例運算電路的輸入電阻卻不大。

該電路當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓按一定的比例系數(shù)變化，但由于輸入電壓和輸出電壓反相，我們可以考慮用同相比例電路將其改進。

如圖2.3所示，為一個同相比例電路，由上述分析已經(jīng)得到輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系式，即

                        Uo≈(1+)Ui

輸出電壓按一定的比例系數(shù)和輸入電壓對應(yīng)，并且輸入電壓和輸出電壓同相，可以完成一定條件下，電壓和電壓的轉(zhuǎn)換。

在設(shè)計指標中要完成0～5V，1～5V標準電壓的轉(zhuǎn)換，由于這兩個電壓標準不成一定的比例關(guān)系，因此必須在上述同相比例電路上作一定的改進才能達到指標要求。考慮到輸入的上限電壓和輸出的上限電壓是相等的，只是當(dāng)輸入為0V時要求有1V的輸出電壓，即下限電壓提高了，所以考慮在輸入端再加一個限壓電路，當(dāng)輸入為零時，經(jīng)過調(diào)節(jié)使輸出有1V，也就是0～1V電壓輸出必須被濾掉，簡單地說是將零點進行了移位。該限壓電路考慮采用具有單向?qū)щ娦缘亩�極管來設(shè)計。

2.3.2 原理分析

如圖2.10，為一個主要有同相比例電路構(gòu)成，外加一定限壓電路的電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖2.10  電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路

在同相輸入端，實際上有兩路信號，一路是輸入電壓Vi，另一路是由二極管構(gòu)成的一個限壓電路。當(dāng)二極管下端的電壓低于它上端的電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)輸入0V電壓時，由于二極管下端電壓為零，只要滑動變阻器R6有阻值接入，其上端電壓一定大于零，二極管導(dǎo)通。那么正相輸入端有一路信號輸入，調(diào)節(jié)滑動變阻器R6和R7,使得輸出電壓為1V。這樣控制了輸入輸出電壓的下限，即輸入0V電壓時，輸出為1V。特別要說明的是，當(dāng)有1V的輸出電壓時，輸入端的電壓必然小于1V，因為根據(jù)該同相比例電路所示，前面已經(jīng)詳細討論過，它的放大倍數(shù)為

由上式我們可以得到A≥1，即輸出電壓一定比輸入高。二極管下端電壓低于1V，二極管的導(dǎo)通電壓為硅管為0.6～0.8V，鍺管為0.1～0.3V，那么二極管上端電壓只略高于下端電壓�？梢酝ㄟ^滑變將它控制在大約1V。當(dāng)輸入電壓大于1V時，根據(jù)理想運放的特性，它的凈輸入電壓為零，則 Vi=Vp,這時二極管下端電壓大于1V，二極管截止，即限壓電路在此不起作用，輸出電壓只取決于輸入電壓。

為了控制輸入輸出電壓的上限，輸入5V電壓時，調(diào)節(jié)滑動變阻器R7，使得輸出電壓為5V。事實上，調(diào)節(jié)R7，就是在調(diào)節(jié)運算放大器的放大倍數(shù)，當(dāng)R4+R7等于零時，滿足輸入電壓等于輸出電壓，即放大倍數(shù)為1。所以根據(jù)設(shè)計，當(dāng)輸入為0～1V時，輸出為1V左右；當(dāng)輸入大于1V時，輸出電壓基本等于輸入電壓。

2.3.3參數(shù)確定

如圖2.12，根據(jù)上述原理分析,≈0,滑動變阻器R7可以根據(jù)調(diào)節(jié)使其為零，R4的值可以根據(jù)比例關(guān)系，只要使得R4〈〈R3，就可使得R4/R3≈0，取R3=100k,R4=1k,R7取20k的滑動變阻器，R2=100k,R5=1k,R1=10k,R6為10K的滑動變阻器，這樣調(diào)節(jié) R6的阻值，二極管上端的電壓將隨之改變，同時影響到輸出的電壓。

2.4 電流/電流轉(zhuǎn)換電路

2.4.1方案確立

在實際應(yīng)用中，很多時候我們還需將電流信號轉(zhuǎn)化為電流信號。就如這兩種標準的電流信號，有時儀器的輸出標準不同，必然需要用到標準與標準之間的轉(zhuǎn)換。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2.11

            

          電流              電壓

圖2.11  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(dāng)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。

2.4.2原理分析

如圖2.12所示，輸入電流在R5兩端產(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，A1構(gòu)成同相求和運算電路，A2構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)圖2.8（c）電壓/電流電路的分析，已經(jīng)得到

                                        （2.17）

式（2.17）中Ui=IiR5,所以                                  （2.18）

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(dāng)輸入為零電流時，只要二極管正端有電壓存在，二極管導(dǎo)通，將此電壓信號輸入到集成運放A1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R2，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R5/R6的比值。

當(dāng)輸入0～10mA電流時，R5=1k，則有0～10V輸入電壓；輸出為4～20mA電流，根據(jù)式（2.18），確定R6為500Ω。輸入控制端，R1=1k，R2取5k的變阻器，平衡電阻只要滿足R4=R5=R7=R8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2.12  電流/電流轉(zhuǎn)換電路

3  總體電路

3.1 各模塊電路的基本知識

放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應(yīng)用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。

檢測外部物理信號的傳感器所輸出的電信號通常是很微弱的，比如高溫計輸出電壓僅有毫伏量級，而細胞電生理實驗中所檢測到的細胞膜離子單通道電流甚至只有皮安（pA）量級。對這些能量過于微弱的信號，既無法直接顯示，一般也很難作進一步分析處理。通常必須把它們放大到數(shù)百毫伏級，才能用數(shù)字式儀表或傳統(tǒng)的指針式儀表顯示出來。若對信號進行數(shù)字化處理，則須把信號放大到數(shù)伏量級才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。某些電子系統(tǒng)需要輸出較大的的功率，如家用音響系統(tǒng)往往需要把聲頻信號功率提高到數(shù)瓦或數(shù)十瓦。針對不同的應(yīng)用，需要設(shè)計不同的放大電路，在各路轉(zhuǎn)化電路中，電壓電流之間的各種轉(zhuǎn)化都基于一定的輸入輸出關(guān)系。現(xiàn)在就電流—電壓，電壓—電流，電壓—電壓，電流—電流的各路轉(zhuǎn)化，根據(jù)放大電路輸入信號的條件和對輸出信號的要求，對其基本的輸入輸出關(guān)系作一個簡單的介紹。

（1） 互阻放大電路

當(dāng)需要把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如前述細胞膜離子通道的微弱電流時，則可利用所謂互阻放大電路，其表達式為

式中Ii為放大電路的輸入電流，Vo為輸出電壓，為互阻增益，其量綱為Ω。在實際的電流/電壓轉(zhuǎn)換中，是先將輸入電流轉(zhuǎn)化為電壓，再將電壓轉(zhuǎn)換為電壓輸出的。但對于電流輸入，電壓輸出是滿足上述表達式的。

（2） 互導(dǎo)放大電路

與前述相反，有時要求把電壓信號轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)變化的電流輸出。該轉(zhuǎn)換電路中輸入信號取Vi，輸出信號取Io，輸出對輸入的關(guān)系可表達為

                                          （3.2）

式中              稱為放大電路的互導(dǎo)增益，它具有量綱S。相應(yīng)地，這種放大電路得名為互導(dǎo)放大電路。在實際電路設(shè)計中，如圖2.8（c）所示，由分析可知，輸入電壓和輸出電流滿足，在這里1/Ro就是互導(dǎo)增益。

（3） 電壓放大電路

                                                       （3.3）

式中Av為電路的電壓增益。這種只考慮電壓增益的電路稱為電壓放大電路。實際上，電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路就是由電壓放大電路設(shè)計得到的，設(shè)計中為滿足參數(shù)0～5V到1～5V的轉(zhuǎn)換，將電壓增益Av設(shè)計為1。

（4） 電流放大電路

式中              為電流增益，這種電路稱為電流放大電路。在設(shè)計電流/電流轉(zhuǎn)換電路中，是先將電流轉(zhuǎn)換為電壓，在進行電壓/電流的轉(zhuǎn)換。如圖2.12，由原理分析知道Io=IiR5/R6，那么根據(jù)上述結(jié)論，R5/R6就是電流增益。                           

3.2 總體電路

3.2.1總體電路概述

電路總圖見附錄，第一路通道實現(xiàn)0～5V/0～10mA電壓電流的轉(zhuǎn)換；第二路通道實現(xiàn)0～5V/0～10mA和1～5V/4～20mA電壓/電流轉(zhuǎn)換；第三路通道實現(xiàn)0～10mA/0～5V和4～20mA/1～5V電流/電壓轉(zhuǎn)換；第四路通道實現(xiàn)0～10mA/4～20mA電流/電流轉(zhuǎn)換；第五路通道實現(xiàn)0～5V/1～5V電壓/電壓轉(zhuǎn)換。

在各通道轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計中，完成各路的轉(zhuǎn)換主要是靠運算放大器，利用它的許多特性，尤其是對輸入信號的放大特性，以及理想運放的理想化參數(shù)來分析電路�，F(xiàn)在對集成運放做一個必要的介紹。

集成電路運算放大器是一種高電壓、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路，它的類型很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，圖3.1表示集成運放的內(nèi)部電路組成原理框圖。圖中輸入級一般是由BJT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它得對稱性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是各級提供合適的工作電流。此外還有一些輔助環(huán)節(jié)，如電平移動電路、過載保護電路以及高頻補償環(huán)節(jié)等。

      

圖

圖3.1  集成電路運算放大器內(nèi)部組成原理框圖

3.2.2集成運算放大器的主要參數(shù)

4  電路的安裝與調(diào)試

4.1 電路的安裝及調(diào)試準備

在電路板的制作過程中，盡可能地按電路原理圖中元器件的排列順序進行布件，使各模塊電路清晰，便于調(diào)試和分析。在整個電路安裝完畢后，分別對各個模塊電路進行調(diào)試。在這之前，先進行通電前的檢查，確定各部分電路是接線正確，電源、地線、信號線、元器件的引腳之間無短路，元器件沒有接錯，尤其是集成芯片OP-07的安裝。然后進行通電檢查，接入電路所要求的電壓,電源電壓接入±15V，觀察電路中各部分的器件有無異常。尤其觀察芯片是否過熱，如果過熱很有可能會被燒壞，則要降低電源電壓。在調(diào)試前，經(jīng)過仔細而謹慎地檢查，確信電路基本正常。

4.2 電路的調(diào)試

根據(jù)各模塊電路的原理介紹，在調(diào)試的過程中根據(jù)設(shè)計指標，合理改變一定的參數(shù)，使輸出輸入按一定的規(guī)律變化。把總的電路按上述模塊實現(xiàn)的功能電路分別進行安裝和調(diào)試。

4.2.1電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

參照原理總圖（見附錄），通過對多路開關(guān)的切換，對電路進行一路一路調(diào)試。先將±15V電源接入，運放開始工作。

將輸入信號接地，調(diào)節(jié)滑動變阻器使得輸出也為零。改變輸入電壓的值，觀察輸出電流隨輸入的變化而變化，說明電路可以正常工作。當(dāng)輸入電壓Vi=1V時,輸出電流為Io=2.89mA,這與輸出電流的原理值2mA有較大的誤差。由原理分析知道：，輸出電流的大小與反饋電阻R4和輸入平衡電阻R1有關(guān)，由于輸出電流比理論電流值高，要使它減小，可以減小R4或者增大R1的值。改變反饋電阻，將它與一個18K的電阻并聯(lián)，其替換電阻小于10k,再次測量當(dāng)輸入為1V電壓時，輸出電流測得2.65mA。雖然還存在著一定的誤差，但明顯有了很大的改觀。由于輸入與輸出有一定的范圍控制，在理論與實際相結(jié)合的情況下分析，反饋電阻不能太小，一旦過小，當(dāng)輸入為上限電壓時，很難達到輸出上限。最終測得輸入電壓和對應(yīng)輸出電流的數(shù)據(jù)如表4.1所示；

                  表4.1  0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作出此電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出曲線圖，如圖4.1所示：由曲線可以看到，當(dāng)電壓輸入在1～3V時，輸出電流與理論的誤差最大。

圖4.1  0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

②撥通第二路多路開關(guān)，如圖2.8（c）為實現(xiàn)0～5V/0～10mA的轉(zhuǎn)換，先將Ro=510Ω接入電路中，當(dāng)輸入為零電壓時，用萬用表測量輸出電壓的大小，發(fā)現(xiàn)輸出為-14.79V，改變輸入電壓的值，輸出恒為-14.79V不變。再次檢查該電路的器件安裝，發(fā)現(xiàn)沒有問題。測量用作同相求和運算電路的OP-07的各引腳電壓，測得如下數(shù)據(jù)，見表4.2所示：

表4.2  A1引腳電壓測量值

Uo1=Up1(6腳電壓大約為3腳電壓的兩倍)，這一點在允許誤差的情況下基本滿足要求。再測量用作電壓跟隨器的OP-07的各引腳電壓，測得如下數(shù)據(jù)，見表4.3所示：

                  表4.3  A2引腳電壓測量值

原理上Un2=Uo2(6腳電壓等于2腳電壓)，符合理論推導(dǎo)，計算Ro兩端電壓即為Uo1-Up2=-13.34-(-14.79)=1.45V,由原理分析，知道，可是電路的輸出始終不隨輸入的變化而變化，電路不可調(diào)。在確信兩個OP-07都能正常工作的情況下，再次分

析電路原理，發(fā)現(xiàn)沒有問題�？紤]到電路的先決條件，即要求四個電阻平衡，即R1=R2=R3=R4，若四個電阻有誤差很有可能引起電路的失調(diào)，使它不能完成預(yù)期的功能。將四個電阻一并換過，再次測量電路的輸出電壓，當(dāng)輸入為零時，輸出也為零；當(dāng)改變輸入電壓時，輸出也隨之改變，電路能正常工作。記錄測量數(shù)據(jù)如表4.4所示：

              表4.4  0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作出電壓/電流轉(zhuǎn)換電路輸入輸出對應(yīng)曲線，如圖4.2所示。由曲線圖可以看出，輸入電壓和輸出電流在規(guī)定范圍內(nèi)按線性變化，該轉(zhuǎn)換電路具有很好的線性。

            圖4.2  0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

多路開關(guān)還是接通第二路，將撥碼開關(guān)換到另一端，即將Ro=240Ω（原理上Ro=250Ω）接入電路，測量輸入電壓為1～5V時的輸出電流，得到如表4.5所示數(shù)據(jù)：

表4.5  1～5V/4～20mA轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)上表作出1～5V/4～20mA電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的坐標曲線，如圖4.3所示。由曲線可以看出電路具有較好的線性，在某一小范圍內(nèi)有少許偏差。

圖4.3  1～5V/4～20mA轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

4.2.2 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

撥通第三路多路開關(guān)，見圖2.2，為實現(xiàn)0～10mA/0～5V的轉(zhuǎn)換，先將R4=150k接入電路中；調(diào)節(jié)調(diào)零電阻，使得在零輸入時，輸出信號也為零。當(dāng)輸入電流變化時，輸出電壓也隨之改變，說明電路工作正常。測量當(dāng)輸入電流為0～10mA時，輸出電壓的值，如下表4.6所示：

表4.6  0～10mA/0～5V轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)表4.6作出0～10mA/0～5V電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的對應(yīng)曲線圖，如圖4.4所示。由曲線可以看出，該轉(zhuǎn)換電路具有良好的線性。

圖4.4  0～10mA/0～5V轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

將撥動開關(guān)撥到另一端，將R4=25k接入電路中；同樣調(diào)節(jié)調(diào)零電阻使得零輸入時，滿足零輸出。測量當(dāng)輸入為4～20mA時，輸出的電壓值，如表4.7所示：

                 表4.7  4～20mA/1～5V轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

由表4.7作出4～20mA/1～5V電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的對應(yīng)曲線圖，如圖4.5所示。由曲線可以看出，該轉(zhuǎn)換電路具有良好的線性。

圖4.5  4～20mA/1～5V轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

4.2.3電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

撥通第四路多路開關(guān)，見圖2.10，調(diào)節(jié)調(diào)零變阻器，使得輸入為零時，輸出信號也為零。在輸入為零的前提下，調(diào)節(jié)滑動變阻器R6的值，使得輸出電壓為1V；在將輸入電壓改為5V，調(diào)節(jié)R7，使得輸出電壓為5V，但是發(fā)現(xiàn)，將滑動變阻器調(diào)到一端時，輸出電壓還是大于5V。從原理上分析，由于R4的存在，即使滑動變阻滑到一端，即不接入任何阻值，運放的放大倍數(shù)始終要略大于1，所以盡可能減小R4的阻值，使輸出近似等于輸入。所以當(dāng)輸入為5V,輸出電壓也略大于5V�？紤]如果把R4去掉，調(diào)試中將R4短路，那么理論上將滿足輸出電壓等于輸入電壓。測量當(dāng)輸入從0～5V變化時，輸出電壓的值，數(shù)據(jù)記錄如表4.8所示：

表4.8  0～5V/1～5V轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

由表4.8，作出0～5V/1～5V電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路的曲線圖，如圖4.6所示。由曲線分析，當(dāng)輸入為0～1V時，輸出電壓在1V左右，變化不大；當(dāng)輸入為1～5V時，輸出也為1～5V�；�本實現(xiàn)了零點的移位，輸入輸出比例為1。

圖4.6  0～5V/1～5V轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

4.2.4電流/電流轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

將多路開關(guān)撥通第五路，見原理圖2.12，調(diào)節(jié)調(diào)零電阻和滑動變阻器R2，當(dāng)輸入為0時，輸出為9.37V，改變輸入電流的大小，輸出電壓始終保持在9.37V不變�？紤]到可能遇到與電壓/電流轉(zhuǎn)換電路一樣的問題，把四個平衡電阻重新?lián)Q了一遍，重新測量，輸出隨輸入電流的改變而改變。調(diào)節(jié)滑動變阻器，使得輸入為零時，有電流輸出，并調(diào)節(jié)使之為4mA。測量數(shù)據(jù)如下表所示（負載電阻為200Ω）

表4.9   0～10mA/4～20mA轉(zhuǎn)換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)表4.9作出0～10mA/4～20mA電流/電流轉(zhuǎn)換電路曲線圖，如圖4.7所示。由曲線可以分析，當(dāng)輸入電流為0～2mA時，輸出電流基本保持不變，當(dāng)輸入為2～10mA時，輸出電流是輸入電流的兩倍關(guān)系。進行了零點電流的移位，完成了0～10mA/4～20mA電流的轉(zhuǎn)換。

圖4.8

              圖4.7  0～10mA/4～20mA轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)曲線

4.3 測量結(jié)果分析

各路通道電路在一定的輸入范圍下能按一定的比例輸出，各路轉(zhuǎn)換電路都具有較好的線性關(guān)系。但由于器件本身的性能、原理上設(shè)計的電阻大小和實際的電阻有一定出入，以及儀器設(shè)備的誤差，使得實際測量到的數(shù)據(jù)和理論一定的誤差。

在電壓/電流轉(zhuǎn)換電路中，0～5V/0～10mA的轉(zhuǎn)換采用了兩個不同的電路來實現(xiàn)，見原理總圖的第一和第二路轉(zhuǎn)換電路，即原理電路圖2.8（b）和圖2.8（c）。由上述的數(shù)據(jù)記錄和曲線分析，可以發(fā)現(xiàn)第一路轉(zhuǎn)換電路的線性不如第二路轉(zhuǎn)換電路好。這是因為在第一路轉(zhuǎn)換中運用了兩個NPN三極管，并需要+15V的直流供電電壓使三極管正常工作。三極管的主要參數(shù)如電流放大倍數(shù)，極間反向電流以及極限參數(shù)都將影響三極管在電路中的可靠性，而這些特性是三極管本身所具有的，在電路的調(diào)試中不能改變。還有該電路輸入電壓和輸出電流的比例關(guān)系又三個電阻決定，即輸入平衡電阻R1,反饋電阻R4和Rf。在實際電路中，電阻的阻止與其本身的標定值也有一定的誤差，這是在制造工藝時很難避免的誤差。而第二路轉(zhuǎn)換電路，即由兩個集成運放OP-07構(gòu)成的，根據(jù)原理分析，輸入電壓與輸出電流的關(guān)系只取決于Ro電阻，這樣大大減少了誤差，線性度也大大提高了。在1～5V/4～20mA的轉(zhuǎn)換中，由于實際的電路中Ro只有240Ω,而實際電路參數(shù)設(shè)計中Ro為250Ω，所以測得的數(shù)據(jù)略偏大。

在電壓/電壓轉(zhuǎn)換電路中，見原理總圖的第四路轉(zhuǎn)換電路。雖然將R4進行了短接，但由于滑動變阻本身的性能問題，當(dāng)將其調(diào)到一端時，它的電阻也不為零，所以導(dǎo)致了輸入5V電壓時，輸出電壓略大于5V,存在一點誤差。

5  結(jié)論

參考文獻

[1]  童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）.北京：清華大學(xué)出版社，2001

[2]  康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）.高等教育出飯社，1999

[3]  梁延貴.數(shù)字單元電路轉(zhuǎn)換分冊.北京：科學(xué)技術(shù)文獻出飯社，2002：274～280

[4]  梁延貴，王裕琛.集成運算放大器電壓比較器分冊.北京：科學(xué)技術(shù)文獻出飯社，2003：133～134

[5]  謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試（第二版）.華中科技大學(xué)出飯社，2000：496～511

[6]  顧寶良.模擬電子集成電路原理與實用電路.人民郵電出飯社，1989：65～69

[7]  揚振江，蔡德芳.新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用.西安電子科技出版社，1998：

149～154，274～280

[8]  于海生.微型計算機控制技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1999：31～48

[9]  沈明發(fā)，黃偉英，潘小萍.低頻電子線路實驗.廣州：暨南大學(xué)出飯社，2001

[10]  田良，綜合電子設(shè)計與實驗.南京：東南大學(xué)出版社，2002：35～68

[11] Pual Horowita and Winfield: The Art of Electronics,2nd ed, Combridge University Press,1989

[12] Thomas L.Floyd: Electronic Device,5th ed, Prentice-Hall Inc, New Jersey,1999

附  錄

附錄一：總原理圖

    附錄二：PCB圖