电压电流转换电路
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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。
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 (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k》1,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0~5V 电压转换成0~5mA的电流信号,可令V0=0,Rw=1kΩ,其中Vo=0相当于将其直接接地。若将0~5V电压信号转换成1~5mA电流信号,则可确定V0=1.25V,Rw=1.25kΩ。同样若将4~20mA 电流信号转换成1~5mA电流信号,只需先将4~20mA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。
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=I×(R8+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4~20mA或者0~5V的直流模拟信号输出,而我国煤矿使用的煤矿安全监测系统大部分只允许接入1~5mA或者200~1000Hz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转换原理如图1。
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-= Ie·Rw= (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·Ib。令R1=R2,则有
V0+Vm= V+= V-= (1+k)Ib·Rw= (1+1/k)Io·Rw
其中k》1,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0~5V 电压转换成0~5mA的电流信号,可令
V0=0,Rw=1kΩ,其中Vo=0相当于将其直接接地。若将0~5V电压信号转换成1~5mA电流信号,则可确定V0=1.25V,Rw=1.25kΩ。同样若将4~20mA 电流信号转换成1~5mA 电流信号,只需先将4~20mA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。针对煤矿的特殊要求,我们只分析如何将
电压转换成200~1000Hz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4.0~40V 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。
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1~5V 的电压转换成200~1000Hz的频率信号,电路参数理论值为R =18kΩ,Ct=0.022uF,R1=100kΩ,Rs=16.5528kΩ,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、