運放組成的V/I和I/V變換電路TOP6設(shè)計詳解

對交流電的電壓和頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)變的電路。按其對電能變換的功能，可分為交流調(diào)壓電路和變頻電路。前者不改變交流電的頻率，只改變其電壓。按一定規(guī)律控制交流調(diào)壓電路開關(guān)的通斷，即可控制輸出負(fù)載電壓。交流調(diào)壓電路的控制方式有周波控制、相位控制和斬波控制等3種方式。周波控制調(diào)壓適用于負(fù)載熱時間常數(shù)較大的電熱控制系統(tǒng)。其缺點是在負(fù)載容量很大時，開關(guān)的通斷引起對電網(wǎng)的沖擊，從而引起電網(wǎng)電壓閃變。相位控制調(diào)壓適用于電動機速度控制或電熱控制。其主要缺點是輸出電壓包含較多的諧波分量，當(dāng)負(fù)載是電動機時，會使它產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩和附加諧波損耗，還會引起電源電壓畸變。為此，須在電源側(cè)和負(fù)載側(cè)分別加濾波網(wǎng)絡(luò)。斬波調(diào)壓電路輸出電壓質(zhì)量較高，對電源影響也較小，主要缺點是元器件成本較高。

1、 0-5V/0-10mA的V/I變換電路

圖1是由運放和阻容等元件組成的V/I變換電路，能將0-5V的直流電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成0-10mA的電流信號，A1是比較器。A3是電壓跟隨器，構(gòu)成負(fù)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VL，V1控制運放A1的輸出電壓V2，從而改變晶體管 T1的輸出電流IL而輸出電流IL又影響反饋電壓Vf，達(dá)到跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的大小可通過下式計算：IL=Vf/(Rw+R7)，由于負(fù)反饋的作用使Vi=Vf，因此IL=Vi/(Rw+R7)，當(dāng)Rw+R7取值為500Ω時，可實現(xiàn)0-5V/0-10mA的V/I轉(zhuǎn)換。

2、 0-10V/0-10mA的V/I變換電路

圖2中Vf是輸出電流IL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VN=Vp;Vp=V1/(R2+R3)×R2，VN=V2+(Vi-V2)×R4 /(R1+R4)，所以V1/(R2+R3)×R2=V2+(Vi-V2)×R4/(R1+R4)，依據(jù)Vf=V1-V2及上式可推導(dǎo)出：

若式中R1=R2=100kΩ，R1=R4=20kΩ，則有：Vf×R1=Vi×R4，得出：Vf=R4/R1×Vi=1/5Vi，如果忽略流過反饋回路R3、R4的電流，則有：IL=Vf/Rf=Vi/5Rf，由此可以看出。當(dāng)運放的開環(huán)增益足夠大時，輸出電流IL與輸入電壓Vi滿足線性關(guān)系，而且關(guān)系式中只與反饋電阻Rf的阻值有關(guān)。顯然，當(dāng)Rf=200Ω時，此電路能實現(xiàn)0-10v/0-10mA的V/I變換。

3、 1-5V/4-20mA的V/I變換電路

在圖3中。輸入電壓Vi是疊加在基準(zhǔn)電壓VB(VB=10V)上，從運放A1的反向輸入VN端輸入的，晶體管T1、T2組成復(fù)合管，作為射極跟蹤器，起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2)，使得IL≈I1，而運放A1滿足VN≈Vp，如果電路圖中 R1=R2=R，R4=R5=kR，則有如下表達(dá)式：

由式①②③可推出：

若Rf=62.5Ω，k=0.25，Vi=1-5V，則I1=4-20mA，而實際變換電流IL比I1小，相差I(lǐng)2(IL=I1- I2)，I2是一個隨輸入電壓Vi變化的變量，輸入電壓最小時(Vi=1V)，誤差最大，在實際應(yīng)用中，為了使誤差降到最小，一般R1，R2，Rf的阻值分別選取40.25kΩ，40kΩ，62.5Ω。

4、 0-10mA/0-5V的I/V變換電路

在實際應(yīng)用中，對于不存在共模干擾的電流輸入信號，可以直接利用一個精密的線繞電阻，實現(xiàn)電流/電壓的變換，如圖4，若精密電阻 R1+Rw=500Ω，可實現(xiàn)0-10mA/0-5V的I/V變換，若精密電阻R1+Rw=250Ω，可實現(xiàn)4-20mA/1-5V的I/V變換。圖中 R，C組成低通濾波器，抑制高頻干擾，Rw用于調(diào)整輸出的電壓范圍，電流輸入端加一穩(wěn)壓二極管。

對于存在共模干擾的電流輸入信號，可采用隔離變壓器耦合方式，實現(xiàn)0-10mA/0-5V的I/V變換，一般變壓器輸出端的負(fù)載能力較低，在實際應(yīng)用中還應(yīng)在輸出端接一個電壓跟隨器作為緩沖器。

5、 由運放組成的0-10mA/0-5V的I/V變換電路

在圖5中，運放A1的放大倍數(shù)為A=(R1+Rf)/R1，若R1=100kΩ，Rf=150kΩ，則A=2.5;若R4=200Ω，對于 0-10mA的電流輸入信號，將在R4上產(chǎn)生0-2V的電壓信號，由A=2.5可知，0-10mA的輸入電流對應(yīng)0-5V的輸出電壓信號。

圖中電流輸入信號Ii是從運放A1的同相輸入端輸入的，因此要求選用具有較高共模抑制比的運算放大器。

6、 4-20mA/0-5V的I/V變換電路

經(jīng)對圖6電路分析，可知流過反饋電阻Rf的電流為(Vo-VN)/Rf與VN/R1+(VN-Vf)/R5相等，由此，可推出輸出電壓Vo的表達(dá)式：

Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf.由于VN≈Vp=Ii×R4，上式中的VN即可用Ii×R4替換，若 R4=200Ω，R1=18kΩ，Rf=7.14kΩ，R5=43kΩ，并調(diào)整Vf≈7.53V，輸出電壓Vo的表達(dá)式可寫成如下的形式：

當(dāng)輸入4-20mA電流信號時，對應(yīng)輸出0-5V的電壓信號。