电压电流转换器.docx

电压电流转换器电压电流转换器电压电流转换器将一个电压源信号线性地转换为电流源信号，在仪器仪表及自动化系统设计中经常会遇到。有很多技术资料介绍了各种各样的电压电流转换器（V/I转换器），各有特色。对这种电路的基本要求是：1）输出电流与输入电压成正比；2）输出电流为恒流源。即当负载电阻在规定范围内变化时，输出电流保持不变，；3）输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感。一般地，还要附加一个要求，即输入电压与输出电流共地。一种典型的V/I变换器要求将0~5V输入电基本精度压线性地转换为0~20mA电流源输出，在0.2%以内；当负载在0~300Ω变化时，输出电流变化应在规定精度之内。笔者认为图1所示电路是最简单的一种。一般资料的介绍仅限于：设图中电阻R1~R4相等，则输出电流Iout=Vin/R5，即输出电流正比于输入电压，与负载电阻（R6）大小无关。当将此种电路用于批量化的产品时，由于元器件成本控制，电阻值不可避免的误差及电路其他参数的影响，往往使电路实际精度下降。有的生产厂不得不选用其他较复杂的`电路。笔者介绍这种电路的实用化设计方法，供读者参考。此种设计已用于批量产品中，有很好的性能价格比。1电路原理分析图1中，R6是负载电阻，允许在一定范围内变化。Iout是输出电流。据电路基本定律，对R1、R2支路，由图1可列出如下方程V2*(1/R1+1/R2)=Vin/R1+V4/R2这里，已令α=R2/R1。如果忽略运放失调电压，运放正常工作时，其二输入端电压相等，对R3、R4支路，有V2?V3*R3V3?这里，β=R4/R3。假定，R2＞＞R5，R2＞＞R6，即电阻R2对输出电流Iout的分流作用可以忽略，对R5、R6支路，V4?V3*R6V3*??或V3?V4*（1??）1?V4*（1?）??这里，γ=R6/R5。将（2）、（3）式代入（1）式，V4?V3*（1??）V4*(1?1/?)*(1??)?Vin*???Vin*?1??1??Vin*?（1?1/?）*（1??）*（1??）?1(4)解得，V4?对R6支路，有Iout=V4/R6。将（4）代入，进一步推导，可得Iout?Vin*R21??*R1*R51???（???）*R6/R5（5）这里，α=R2/R1，β=R4/R3，同时要求R2＞＞R5，R2＞＞R6。当α=β时，有Iout?Vin*R2R1*R5(6)这是一种电路简单同时又有较高精度的电压（Vin）/电流（Iout）转换器。其输出电流Iout与负载大小无关。图1是α=β=1时的特例。设Vin变化范围是0～5V，要求输出电流范围是0～20mA。则可选R1=R3=500kΩ，R2=R4=200kΩ，R5=100Ω。运算放大器可选LM358。2误差分析简单地将（6）式用于批量产品是不行的，至少对转换精度不利。原因是批量生产很难保证条件α=β，即R2/R1=R4/R3成立。如果α≠β，对输出精度有多大影响？（5）式是通用表达式，可改写为Iout?Vin*R2*kR1*R5（7）这里，k?1??1???（???）*R6/R5(8)当α=β时，有k=1。一般情况，电压电流转换器仅仅是我们产品的一小部分。我们认为，在产品中，输出电流的零位及满度值调整是不难的。问题是输出电流能否真正作到恒流，即当负载R6变化时，能否保证输出电流偏差仍旧在设定精度之内？负载R6的大小主要由用户决定，是一个变数。设β=α*(1+δ)，其中δ是一个正或负的小数。例如，δ=±0.05或δ=±0.01或δ=±0.005等。则（8）式可改写为k?1?????1?????R6/R5R6??）*R51??一般，α≤1，δ＜＜1，故上式可近似简化为k?1?（1?对前述典型应用：Vin=0～5V，Iout=0～20mA。取α=200kΩ/500kΩ=0.4，R5=100Ω，R6在0～300Ω范围内取值，则对不同的δ值，可计算出k—R6曲线。如以R6=250Ω时对应的k值为1，则图2所示为ki=k(R6)/k(250Ω)曲线组。其中，k1,k2,…k6分别对应δ参数值是0.05,－0.05,0.01,－0.01,0.005,－0.005。从诸曲线可见，k值最大偏差与δ值很接近。对某级别精度x的电阻，其δ值最大值约为4x。举例如下：设R2实际值是标称值R20的下限，其精度是x，则R2=R20（1-x）；设R1实际值是标称值R10的上限，其精度是x，则R2=R20（1+x）；类似，设R4=R20(1+x)，R3=R10(1-x)。α=R2/R1=R20(1+x)/R10(1-x)≈R20/R10*(1+2x)；类似，β=R4/R3≈R20/R10*(1-2x)。可见，δ=β/α-1=(1-2x)/(1+2x)-1≈1-4x-1=-4x。按上述分析，R1～R4即使选0.5级