基于运算放大器的电流环设计

目录

第1章摘要 (5)

第2章引言 (5)

第3章基于运算放大器的电流环设计 (5)

3.1电流环理论分析 (5)

3.2电路图设计 (6)

3.3计算过程 (9)

第4章基于运算放大器的电流环的性能测试 (11)

4.1Mutisim实验及实验记录 (11)

4.2实验结果分析 (13)

第5章心得体会 (14)

参考文献 (14)

第1章摘要

本文介绍了一种基于运算放大器的电流环的设计方案，简要的介绍了电流环的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该电流环的参数设计和制作过程，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该电流环的工作特性与性能，给出了仿真数据。论证了该电流环的可行性。该电流环性能良好，电路线路简单，易于实现，具有很高的实际应用价值。

第2章引言

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA 高于20mA的信号用于各种故障的报警。一般传感器会把一个物理信号利用电桥等转化为与之对应的电信号，比如电压或电流。当然要产生4-20ma的电流信号，则把电压信号利用放大电路进行变换之后肯定是能做到的。如果传感器直接出来的是电流信号，则可以先变为电压信号，再经过信号调理电路肯定还能转换到4-20ma的电流信号。

第3章基于运算放大器的电流环设计

3.1电流环理论分析

电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器。传感器用于测量物理参数(如压力或温度)，提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成4～20mA 电流信号；接收器则将4～20mA电流转换为电压信号，ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。电流环中，信息通过电流调制信号进行传输。对于4～20mA系统，

4mA通常表示传感器的零输出，20mA表示满量程输出。很容易区分环路断路(0mA，故障状态)与传感器的零输出(4mA)。与电压调制信号相比，电流环从本质上具有更高的抗干扰能力，非常适合嘈杂的工业环境。信号可以长距离传输，信息能够发送到远端或从远端接收。通常情况下，传感器远离系统微控制器所处的控制中心。比较复杂的系统包括从微控制器或DSP到激励源的另一电流环。DAC将数字信息转换成模拟电压信号。电流环发送器将DAC输出电压转换成驱动激励源的4～20mA或±20mA电流信号。电网监测系统也存在类似应用，通过成熟算法确定系统的当前状态，预测系统变化方向，并通过控制环路动态调整系统。

3.2电路图设计

图1.VI转换电路

如图所示，该电路为电流环的核心电路，主要功能是实现VI转换，将输入的0-2.5V 电压转换为4-20mA的电流。这个电路分为两个模块，分别是基于运算放大器的加法器和howland电流泵，分别介绍如下：

图2. howland电流泵

电路图右侧的模块为一个howland电流泵，此模块按照课本《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》中的howland搭建。此模块中电桥平衡条件为

(R4/R3)=(R2A+R2B)/R1当这个条件满足时，负载看过去的总输入电阻R=∞。现在的传递特性是输出电流i=（R2/R1）VI/R2B。除了增益项R2/R1之外，现在灵敏度是由R2B设定的，R2B能够按需要做的很小，而剩余的电阻都保持高的阻值益节省功率。电压柔量

近似为|vi|<=|V|-R2B|i|。由于Howland 电路既使用正反馈又使用了负反馈，所以在某些条件下它们可能成为振荡型的。用两只小电容（一般在10pF 量级）与R4和R1并联通常就足够以在高频域使负反馈超过正反馈，从而使电路稳定。而我们的电路输入是直流量，不需要对其进行考虑。

DC

图3.求和加法器

左侧的模块为一个求和放大器。V=-{(R8/R7)V1+(R8/R6)V2}。在电路中，V1为15V 直流电源，保证在V2=0的时候可以为右端的模块提供电压，使电路输出4mA 电流，V2作为0——2.5V 电压输入端。

综上得出图1电路的传递函数为

ref I

O 2B

R7R7*V V R5

R6I R +=。

详细推导过程如下：

由图1加法器模块的

77ref I 56R R

V=*V *V R R ⎡⎤-+⎢⎥⎣⎦

由图1 howland 电流泵模块的

O 2B

V I R =-

∴总电路的传递方程为

ref I

O 2B

R7R7*V V R5

R6I R += 3.3计算过程

参照图1计算过程

令123422A 2B R R R R 10K ,R R R ====Ω=+

假使R2B 上最大电压为2V ，此时电流为20mA 。

则2B 2V

R 10020mA

=

=Ω

2A R 10K 1009.9K ∴=Ω-Ω=Ω

由于要求电流变化范围是4—20mA

7I 157I 16R V 0V V 150.4R R V 2.5V V 0.4 2.52

R ⎛⎫

∴==-⨯=- ⎪⎝⎭⎛⎫

==--⨯=- ⎪⎝⎭当时，有 ；

当时，有

解以上两式有775

6R R 0.44 1.6164

R 15150R 2.525 6.25=====，

令

756R 4K R 150K R 6.25K =Ω=Ω=Ω

，则，

综上可得

1342A 2B 567R R R 10K R 9.9K R 100R 150K R 6.25K R 4K ===Ω=Ω=Ω=Ω=Ω=Ω

；，；，；

电路参数：

R1=10K Ω R3=10K Ω R4=10K Ω R5=150K Ω R6=6.24 K Ω R2A=9.9 K Ω R2B=100Ω

()()12B R 420mA 0.1K 420mA 0.42V

V ∴-⨯-=-Ω⨯-=--的变化范围是