电压电流转换电路

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1、电压电流转换电路电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。V/I转换原理如图。+技V图1 V/J转换电踏原理由图可见，电路中的主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R为负载电阻。其中运算放大器起比较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上，由运放性质可知：V-= Ie -Rw= (1+ k)Ib -Rw(

2、k为BG9013的放大倍数) 流经负荷R的电流Io即BG9013的集电极电流等于k-Ib。令R1=R2， 则有 V0+Vm= V+= V-= (1+k)Ib -Rw= (1+1/k)Io -Rw，其中 k1，所以 Io- (Vo+Vin)/Rw。 由 上述分析可见，输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻 Rw为定值时，与输入电压 Vin成正比， 而与负载电阻R的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。改变V0的大小，可在Vin=0时改变Io的输出。在V0一定时改变Rw的大小，可以改变 Vin与Io的比例关系。由Ion(V0+Vi)/Rw 关系 式也可以看出，当确定了 Vin和Io之间的比例关系后，

3、即可方便地确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。例如将05V电压转换成05mA的电流信号，可令 V0=0，Rw=1kQ，其中Vo=0相当于将 其直接接地。若将05V电压信号转换成15mA电流信号，则可确定 V0=1.25V，Rw=1.25k Q。 同样若将420mA电流信号转换成15mA电流信号，只需先将420mA转换成电压即可按上述 关系确定V0和Rw的参数大小，其他转换可依次类推。为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接，并经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实际应用中测试

4、，上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03%，转换精度符合要求。把0-2.5V电压转换成0-10mA电流的电压电流转换电路在自动检测系统中，常常需要把各种传感器产生的能量微弱的电压信号变换成电流信号，以 满足现场检测的需要，下图就是一种能把传感器产生的0-2.5缓慢变化的电压信号变换成 0-10mA电流信号的电路。其中VT1、VT2组成一级差分放大电路，采用双端输出。VT3、VT4级成二级差分放大电路， 它以单端输出的形式接到放大管VT5的基极，再从发射极反馈到VT2的基极。由于强烈的负 反馈，输入阻抗提高。由于采用差分放大电路，电路元件的参数变化以及温度变化对电路的 影响较小，从而保证电

5、路的精度。其原理类似运算放大器，Q1的基极为同相端，Q2的基极为反向端。在强烈负反馈的作用下， 两输入端的电压基本相等，其误差大小取决于电路的放倍数，这儿由于放大倍数很大，所以 忽略其误差。其反馈取自R8、R9两端。反馈电压Uf=IXR8+R9),其中I就是我们需要的转 换结果，Uf等于输入电压。改变R8, R9的大小，可以得到不同的电流范围。两种实用的电压/电流、电压/频率转换电路的设计和原理随着电子技术和计算机技术的迅速进步，工业自动化得到了快速发展，而在工业控制领域， 检测传感器件起着越来越重要的作用，各种先进的传感器正在大量应用。但是很多传感器只 提供420mA或者05V的直流模拟信号

6、输出，而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部 分只允许接入15mA或者2001000Hz的模拟信号，所以在一般工业现场使用的传感器 要实现在煤矿的应用，除了考虑防爆因素外，还必须进行输出模拟信号的转换。这种输出信 号的转换如果购买专用的转换设备，不仅价格高，使用也不是很方便。实际上自己设计制作 一些转换电路也可以方便的实现所需性能，下面就介绍两种实用的电压/电流、电压/频率转 换电路的设计和原理。1电压/电流转换电路电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换 后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变 化。V/I转换原理

7、如图1。S 1 V/J转展勇踏原理由图1可见，电路主要元件为一运算放大器LM324和三极管BG9013及其他辅助元件构 成，V0为偏置电压，Vin为输入电压即待转换电压，R为负载电阻。其中运算放大器起比 较器作用，将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较，经运算放大器放大后再经三极管放大，BG9013的射级电流Ie作用在电位器Rw上，由运放性质可知：V-= IeRw= (1+ k)Ib.Rw(k为BG9013的放大倍数)流经负荷R的电流Io即BG9013的集电极电流等于k-Ibo令R1=R2，则有V0+Vm= V+= V-= (1+k)IbRw= (1+1/k)Io.Rw其中 k1，所以

8、Io- (Vo+Vin)/Rw。由上述分析可见，输出电流Io的大小在偏置电压和反馈电阻Rw为定值时，与输入电 压Vin成正比，而与负载电阻R的大小无关，说明了电路良好的恒流性能。改变V0的大小， 可在Vin=0时改变Io的输出。在V0一定时改变Rw的大小，可以改变Vin与Io的比例关系。 由Io-(V0+Vi)/Rw关系式也可以看出，当确定了 Vin和Io之间的比例关系后，即可方便地 确定偏置电压V0和反馈电阻Rw。例如将05V电压转换成05mA的电流信号，可令V0=0, Rw=1kQ，其中Vo=0相当于将其直接接地。若将05V电压信号转换成15mA电流信号，则可确定V0=1.25V, Rw=

9、1.25kQ。同样若将420mA电流信号转换成15mA电流信号，只需先将420mA转换成电压即可按上述关系确定V0和Rw的参数大小，其他转换可依次类推。为了使输入输出获得良好的线性对应关系，要特别注意元器件的选择，如输入电阻R1、 R2及反馈电阻Rw，要选用低温漂的精密电阻或精密电位器，元件要经过精确测量后再焊接， 并经过仔细调试以获得最佳的性能。我们在多次实际应用中测试，上述转换电路的最大非线 性失真一般小于0.03%，转换精度符合要求。2电压/频率转换电路电压/频率转换即V/F转换，是将一定的输入电压信号按线性的比例关系转换成频率信号，当输入电压变化时，输出频率也响应变化。针对煤矿的特殊要

10、求，我们只分析如何将电压转换成2001000Hz的频率信号。实现V/F转换有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能价格比较高的芯片， 由美国NS公司生产，是一种目前十分常用的电压/频率转换器，还可用作精密频率电压转 换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。由于LM331采用 了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的 精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作 频率低到1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只 需接入几个外部元件就可方便构

11、成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度LM331 可采用双电源或单电源供电，可工作在4.040V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vs 短路。图2是由LM331组成的典型的电压/频率变换器。ffiZ V/F 电踏原瘗图其输出频率与电路参数的关系为：Fout= Vin-Rs/(2.09-R1-Rt-Ct)可见，在参数Rs、R1、Rt、Ct确定后，输出脉冲频率Fout与输入电压Vin成正比， 从而实现了电压-频率的线性变换。改变式中Rs的值，可调节电路的转换增益，即V和F 之间的线性比例关系。将15V的电压转换成2001000Hz的频率信号，电路参数理论 值为R =18kQ，Ct=0.

12、022uF，R1=100kQ，Rs=16.5528kQ，由于元器件与标称值存在误差， 在电路参数基本确定后，通过调节Rs的电位器，可以实现所需V/F线性变换。由Fout= Vin-Rs/(2.09-R1-Rt-Ct)可知，电阻Rs、R1、Rt和电容Ct直接影响转换结果 Fout，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择，其中Rt、Ct、Rs、R1要选用低温漂的稳定元件，Cin可根据需要选择0.1uF或1uF。电容C1对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。电路中的47Q电阻对确保电路线性失真度小于0.03%是十分必须的。图2电路是将15V的电压转换成2001000Hz的频率信号的典型电路及参数，要实现将420mA或05V转换成2001000Hz的频率信号只要增加一些辅助电路即可实现，其他转换也依此类推。3结语以上介绍的两个转换电路所需费用低，且结构简单，调试方便，非常易于实现，并且经 过我们的矿用监测设备多次的实际现场应用，其对于国内一般的煤矿安全监测系统的接入信 号的要求都能够很好地满足应用。