多通道的I/V（電流/電壓）轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法與心得

大家搞技術(shù)的都會(huì)清楚下面的常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。

常用的信號(hào)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(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)組合單元(儀表)，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量如溫度、壓力、流量、液位、位移等信號(hào)的測(cè)量，以及各類(lèi)電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。DDZ-Ⅲ型儀表輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。大部分微機(jī)控制系統(tǒng)外部輸入的是模擬電壓信號(hào)，輸出的也是模擬電壓信號(hào)，因此為了和Ⅱ型、Ⅲ型儀表的輸入輸出信號(hào)相匹配，需要用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換。

I/V(電流/電壓)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電流、電壓信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。例如，對(duì)電流進(jìn)行數(shù)字測(cè)量時(shí)，首先需將電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后再由數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量。在用光電池、光電阻作檢測(cè)元件時(shí)，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(cè)量。隨著激光、光纖技術(shù)在精密測(cè)量?jī)x器中的普及應(yīng)用，微電流放大器越來(lái)越占有重要的位置。 主要是實(shí)現(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上的電壓(0～5V、1～5V)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上的電流(0～10mA、4～20mA)的轉(zhuǎn)換方法!

(1)無(wú)源I/V變換

無(wú)源I/V變換主要是利用無(wú)源器件電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施

圖中R1和C構(gòu)成無(wú)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(mǎn)足二極管一定特性的情況下，二極管將正向?qū)?，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(yùn)算放大器、電阻組成，如圖2.2所示。圖中利用運(yùn)算放大器進(jìn)行對(duì)輸入信號(hào)的放大。如圖虛線(xiàn)的左端是將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，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(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓放大，從而完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。

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

0～10mA/0～5V電流/電壓變換電路(下圖)

4～20mA/0～5V電流/電壓變換電路(下圖)

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(guò)程中根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(shí)現(xiàn)的功能電路分別進(jìn)行安裝和調(diào)試。

通過(guò)對(duì)多路開(kāi)關(guān)的切換，對(duì)電路進(jìn)行一路一路調(diào)試。先將±15V電源接入，運(yùn)放開(kāi)始工作。

0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路的調(diào)試

① 撥通第一路多路開(kāi)關(guān)，如圖所示轉(zhuǎn)換電路。先進(jìn)行運(yùn)放電路的調(diào)零，

將輸入信號(hào)接地，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使得輸出也為零。改變輸入電壓的值，觀(guān)察輸出電流隨輸入的變化而變化，說(shuō)明電路可以正常工作。當(dāng)輸入電壓Vi=1V時(shí),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(gè)18K的電阻并聯(lián)，其替換電阻小于10k,再次測(cè)量當(dāng)輸入為1V電壓時(shí)，輸出電流測(cè)得2.65mA。雖然還存在著一定的誤差，但明顯有了很大的改觀(guān)。由于輸入與輸出有一定的范圍控制，在理論與實(shí)際相結(jié)合的情況下分析，反饋電阻不能太小，一旦過(guò)小，當(dāng)輸入為上限電壓時(shí)，很難達(dá)到輸出上限。最終測(cè)得輸入電壓和對(duì)應(yīng)輸出電流的數(shù)據(jù)如所示;

0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路測(cè)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(xiàn)圖，如圖所示：由曲線(xiàn)可以看到，當(dāng)電壓輸入在1～3V時(shí)，輸出電流與理論的誤差最大。[!--empirenews.page--]

0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)

②撥通第二路多路開(kāi)關(guān)，如圖為實(shí)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(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)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(méi)有問(wèn)題。測(cè)量用作同相求和運(yùn)算電路的OP-07的各引腳電壓，測(cè)得如下數(shù)據(jù)，見(jiàn)表所示：

A1引腳電壓測(cè)量值

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

A2引腳電壓測(cè)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(jì)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(gè)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(méi)有問(wèn)題?？紤]到電路的先決條件，即要求四個(gè)電阻平衡，即R1=R2=R3=R4，若四個(gè)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(gè)電阻一并換過(guò)，再次測(cè)量電路的輸出電壓，當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出也為零;當(dāng)改變輸入電壓時(shí)，輸出也隨之改變，電路能正常工作。記錄測(cè)量數(shù)據(jù)如表所示：

0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路測(cè)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(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，如圖4.2所示。由曲線(xiàn)圖可以看出，輸入電壓和輸出電流在規(guī)定范圍內(nèi)按線(xiàn)性變化，該轉(zhuǎn)換電路具有很好的線(xiàn)性。

0～5V/0～10mA轉(zhuǎn)換電路對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)