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1、引言由于物理学的重大突破，电子技术在20世纪取得了惊人的进步，特别是近40年来， 微电子技术和其他高技术的飞速发展，致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的 社会生活发生了令人瞩目的变革。随着21世纪的到来，世界将进入信息时代，作为其 发展基础之一的电子技术必将以更快的速度前进。随着电子技术的飞速发展，各种变换器在自动控制，数字仪表，无线电设备及远距 离信号传输等方面，都已得到广泛的应用。常用的信号转换电路有采样/保持（S/H）电 路、电压比较电路、V/f （电压/频率）转换器、f/V （频率/电压）转换器、V/I （电压/ 电流）转换器、I/V （电流/电压）转换器、A/D （模/数）转换
2、器、D/A （数/模）转换器 等。在自动化测控系统设计中，为了提高系统可靠性，加快研制周期，一般采用DDZ- II型和DDZ-III型电动组合单元（仪表），实现对非电量如温度、压力、流量、液位、位 移等信号的测量，以及各类电动执行器，变频调速器等的输出控制DDZ-II型仪表输出 010mA标准电流信号。DDZTII型仪表输出420mA标准电流信号。大部分微机控制系 统外部输入的是模拟电压信号，输出的也是模拟电压信号，因此为了和II型、III型仪表 的输入输出信号相匹配，需要用相应的转换电路实现电压与电流之间的转换。V/I （电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。例如，在远距离监控系
3、统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影 响。I/V （电流/电压）转换器进行电流、电压信号间的转换。例如，对电流进行数字测 量时，首先需将电流转换成电压，然后再由数字电压表进行测量。在用光电池、光电阻 作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，因此可把他们看作电流源，通常情况下其电 流的数值极小，所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普 及应用，微电流放大器越来越占有重要的位置。在这次设计中，主要是实现工业标准上的电压（05V、15V）和工业标准上的电 流（010mA、420mA）的互相转换。1方案设计与论证1.1设计要求(1) 实现电流
4、一电压，电压一电流，电压一电压，电流一电流之间的转换(2) 电流符合工业标准010mA、420mA;电压符合工业标准05V、15V(3 )转换器具有较好的线性(4) 带负载能力强(5) 转换器具有一定的实用性1.2方案设计与论证1.2.1集成电流电压变换电路许多集成芯片都能完成电流/电压，电压/电流的转换。如ZF2B20高精度V/I变换器， 输入电压范围010V,输出电流范围420mA;又如AD694是美国AD公司生产的V/I变 换器转换精度高，使用方便，通过改变引脚的不同接法，可以选择多种电压输入范围。 对应输出020mA、420mA电流信号；XTR110是精密V/I变换器，它可将05V或1
5、 10V电压信号变换成420mA. 020mA、525mA电流输出或其它电流范围；还有RCV420 是精密I/V变换器，它能将420mA的环路电流变换成05V的电压输出。虽然这些集成变换器在一定程度上能满足指标要求，但是考虑到集成芯片价格比较 昂贵，并且在技术设计上没有多大的意义，所以本次设计主要采用集成运放等元件来完 成电流一电压，电压一电流，电压一电压，电流一电流之间的转换。1.2.2总体电路设计方案利用多路开关间的切换来实现通道的选择，整体电路由各个模块电路组成，各个模 块电路主要完成电流一电压，电压一电流，电压一电压，电流一电流之间的转换。如图1.1图1.1总体电路框图2各模块电路设计
6、2.1电流/电压变换电路2.1.1方案确立在模拟量输入输出通道中，电流/电压变换是一个不可缺少的重要部分。变送器输 出的信号为010mA或420mA统一信号，需要经过1/V变换变成电压信号后才能处理。 对于电动单元组合仪表，DDZ-II型仪表输出010mA标准电流信号,DDZ-III型和DDZ-S仪 表输出420mA标准电流信号，针对上诉情况设计和分析，可以采用下面两种电流电压变 换的实现方法。(1)无源1/V变换无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施, 如图2.1所示+5VvR1R2图2.1无源I/V变换图中R1和C构成无源滤波电路，即RC低通滤波电路，起到
7、滤波的作用；二极管一端 加固定电压+5V，在另一端若有加至高于5V电压，在满足二极管一定特性的情况下，二 极管将正向导通，所以在这里二极管起到了限幅的作用，输出电压V=R2*1,即可使输入 电流转换为电压形式输出。(2)有源1/V变换有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图2.2所示。图中利用 运算放大器进行对输入信号的放大。如图虚线的左端是将输入电流信号转变为电压信 号，输入电流由于电容C的存在使R1两端产生一定的压降，然后由运算放大器实现电压 放大，从而完成电流到电压的转换。比较无源I/V变换和有源I/V变换，有源I/V变换在实际应用中更为广泛，而且可调 性强，便于电路的
8、调试，所以设计中选用有源I/V变换完成电流电压转换。2.1.2原理分析如图2.3，利用同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈，电路从输出电压 取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压 进行放大，它将输出电压的全部作为反馈电压。图2.3同相比例运算电路若输入电压Ui对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可认为R1上的电压 U U ；并且，由于集成运放开环差模增益Aod很大，因而其净输入电压Ud也可忽略R1f不计，则Ui Ud+ UfUf，所以输出电压Uo(l+错误！未找到引用源。R )UiR1(2.1)式(2. 1)表明，电路引入电压串联负反馈后，
9、一旦R1和R2的取值确定，Uo就仅仅取 决于Ui,而与负载电阻RL无关。因此，可以将电路的输出看成为电压Ui控制的电压源Uo, 且输出电阻为零。应当指出，上述结论是有条件的。只有在虚断(认为集成运放的同相输入端和反相 输入端的电流趋近于零)，才能忽略Ui对反馈网络的作用；只有在虚短(认为集成运放 的同相输入端和反相输入端的电压近似相等)，才能忽略净输入电压，使UiUf。实际 上，只有在集成运放的开环差模增益Aod和差模输入电阻均趋近于无穷大时，才会在集 成运放的输入端存在“虚断”和“虚短”。虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低 输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以在实际的设计中，为
10、了提高运算精 度，应当选用高共模抑制比的集成运放。2.1.3参数确定由图2.3的分析，假设Rl=200Q ,那么当输入010mA电流信号时,R1两端产生的压降 为02V,要使其产生05V的输出电压，那么确定其放大倍数为2.5,即A=2.5,根据同相 放大电路的放大倍数RA=1+(2.2)R3如果R4=150K,R3=100K，满足A=2.5，由于R2、R5参数的确定与电路没有多大影响，理论上 设计给定R2=100k, R5=10k。所以设计得至【010mA/05V电流/电压变换电路。如图2.4同理，假设R1=200Q ,那么当输入420mA电流信号时,R1两端产生的压降为0.84V, 要使其产
11、生15V的输出电压，那么确定其放大倍数为1.25,即A=1.25。根据式(2.2)同 相放大电路的放大倍数，如果R4=25K,R3=100K，满足A=1.25，由于R2、R5参数的确定与电 路没有多大影响，理论设计R2=100k,R5=10k。同样设计得到420mA/15V电流/电压变 换电路。如图2.5图2.4 010mA/05V电流/电压变换电路I。R2 100kR1上C200TR5 10kR3R425k100k图2.5420mA/05V电流/电压变换电路2.2电压/电流变换电路2.2.1方案确立（1）基本电路在控制系统中，为了驱动执行机构，如记录仪、续电器等，常需要将电压转换为电 流。一
12、般在放大电路中引入合适的反馈，可以实现上述转换。如图2.6所示为实现电压/电流转换的基本原理电路。实际上该电路是一个反相比例 运算电路，故输出电压Uo与输入电压Ui反相。电阻RL跨接在集成运放的输出端和反相输 入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻R1接地，R1为补偿电阻，以保证集 成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为Ui=0 （即将输入端接地）时反相输入端总 等效电阻，即各支路电阻的并联，所以，R1=R/RL。由于理想运放的净输入电流均为零，故R1中电流为零，所以Un=Up=0，则负载电流(2.3)式（2.3）表明负载电流I与Ui成线性关系。但是此电路设计电路中的负载没有接 L地
13、，即负载RL处于浮地状态；待变换的输入电压Ui受运放的最大共模输入电压限制，虽 然该设计虽然电路结构简单，但不适合用于某些应用场合。所以在设计中不用此方案。图2.6电压/电流转换的基本原理电路(2) 豪兰德(Howland)电流源电路在实用电路中，常常需要负载电阻RL有接地端，为此产生了如图2.7所示的豪兰德 电流源电路。由于该电路引入深度负反馈，可以认为集成运放的两个输入端电位UnUp, 电流InIp0,因此在结点N的电流方程为U - U U - U in n0-RR1 2因而N点的电位U UU 二(j + 亠)* Rn R R n1 2结点P的电流方程U - UopR3因而P点电位UU (
14、一-i )*(R/R )p R o33(R R / R )n12(2.4)(2.5)UiUoIo由上推导,P点的电压近似等于N点的电压，即Un Up,并假设R2/R1=R3/R,利用式(2.4) 和式(2.5)相等的关系，得到Io=-Ui/R，由于输出电流与输入电压反相，不符合设计 要求，所以也不采用此方法进行设计。图2.7豪兰德电流源电路(3) 实用电压/电流转换电路如图2.8 (a)所示是由运放和电阻，电容，三极管等元件组成的电压/电流变换电 路，能将直流电压信号线性地转换成电流信号，A1是比较器，A3是电压跟随器，构成 负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器A1的输出端得到
15、输出电压V1,V1 控制运放A2的输出电压V2,从而改变晶体管T1的输出电流I,而输出电流I又影响反 馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流I的大小可通过Vf/ (Rw+R7)计算， 由于负反馈作用使Vi=Vf，因此输出电流就等于Vi/ (Rw+R7),这样表明输出电流随输 入电压的变化而变化有关，即达到了电压到电流的转换。但是考虑这样的设计需要的集成运放数较多，加上有三极管的参与，可能在实际电图2.8 (a)实用电流/电压转换电路(2.6)如图2.8(b), Vf是输出电流I流过电阻Rf产生的反馈电压，即V1与V2两点之间 的电压差,此信号经电阻R3、R4加到运放A1的两个输入端Vp与Vn，反馈电压Vf= V1-V2, 对于运放Al,有同相输入端电压和反相输入端电压分别为：VV1t-x RpR+2R32VV+(V-V ) xR4n2i2R + R1因为理想运放的同相输入端和反相输
