单电源I／F转换电路设计

摘要：介绍了单电源I／F转换电路的设计方法和功能。利用0PA2335AID、TS5A23166外加滞回电压比较器、CMOS开关等器件构成的单电源I／F转换电路，能将4～20 mA电流信号或1～5 V电压信号转换为10～50 kHz的方波信号。采用3～5 V单电源供电，输出线性度可达+0．1％FS。电路结构简单，稳定性较高，线性度好。
关键词：OPA2335AID；电压-频率转换；电流-频率转换；TS5A23166

随着数字仪表的广泛使用，将III型仪表的1～5 V／4～20 mA的标准信号转换成一种数字量信号，成为许多仪表需要解决的一个关键问题，而现在主要采用转换电路，多数是双电源供电，结构复杂、稳定性差。本电路设计采用单电源电压供电，结构简单、稳定性好，能提高电源使用效率。
I／F转换电路主要包括电压／频率转换电路(VFC)和电流～频率转换电路(IFC)两部分。电压／频率转换电路(VFC)的功能是将输入直流电压1～5 V经过电压跟随器，转换成0．5～2．5 V的输出电压。经过积分器，输出稳定的三角波，再将其输入电压比较器，最后输出稳定的矩形波，使输出频率为10～50 kHz。电流／频率转换电路的功能是将输入直流电流4～20 mA经过增益放大，输出0．5～2．5 V的恒定电压，最后完成频率转换，输出稳定的矩形波。此电路具有I／F、V／F电路转换成频率的功能。仅采用3～5 V的单电源供电，电路结构精简、输出线性度高、功能完善。

1 电路方案设计
单电源I／F转换电路最主要的部分是由运算放大器、积分器、比较器、CMOS开关电路组成。其设计的合理与否，直接关系到电路输出波形的成功问题。所设计的电路原理框图如图1所示。

(1)运算放大电路。
运算放大器选用LM358，起放大输入信号的作用，也可以构成绝对值电压跟随器，调节输入电压。虽能实现本电路的功能，但是，LM358芯片放大速率较慢，信号供电电压范围小，仅为4～5 V，不够稳定，且特性温度范围小，为0～70℃，容易受温度影响。运算放大器选用OPA2335，采用单电源供电，工作电压为+2．7+5．5 V，有MSOP-8和SO-8两种封装形式，内部包含两个运算放大器。放大速率高，比较稳定，且特性温度范围大，为-40～125℃，不易受温度的影响。因此，选用OPA2335。
(2)CMOS开关电路。
CMOs开关选用芯片CD4016，但芯片CD4016内阻较大，最大可达到100 Ω，且不够稳定，会随着供电电压的改变而改变。CMOS开关选用芯片TS5A23166，输入高电平，开关导通；输入低电平，开关断开。TS5A23166芯片内阻极小，只有0．5 Ω，较稳定，不会随电压的改变而改变。所以选用TS5A23166芯片。[p]

2 单电源I／F转换电路的实现
单电源I／F转换电路，主要由运算放大器、绝对值电压跟随器、积分器、基准电压、滞回电压比较器、CMOS开关电路设计等部分组成。
单电源I／F转换电路主要分为3级，第1级是将输入电压或电流通过绝对值电压跟随器和运算放大器处理，最后输出恒定的电压。电路的设计主要是将电流／频率转换电路(IFC)的输入电流4～20 mA直接转换成0．2～1 V电压，通过绝对值电压跟随器和运算放大器处理，输出0．5～2．5 V电压作为第2级输入电压。同理，电压／频率转换电路(VFC)则是将输入电压1～5 V通过转换，也输出0．5～2．5 V电压作为第2级输入电压。第2级是将恒定的电压经过积分器进行充电和放电，最后输出稳定的三角波。第3级是将稳定的三角波输入比较器中，其中比较器的正输入端的电压由3端固定式稳压电路提供稳定的电压，因此能够输出稳定的方波，而且输出的方波线性度好。
(1)第1级运算放大电路电路分析(芯片OPA2335AID)。
输入4～20 mA范围的电流信号，经过取样电阻R1转换成0．2～1 V电压，经过放大器放大2．5倍，输出0．5～2．5 V恒定电压；输入1～5 V范围的电压信号，经过电阻分压，电压跟随器，最后也输出0．5～2．5 V恒定电压。[p]
这部分电路突出特点就是可以输入电流、电压两种信号，而且最终输出电压都为0．5～2．5 V的恒定电压，完成了两部分的功能。电路如图2所示。

(2)第2级电路分析(芯片OPA2335AID、TS5A23166)。
输入0．5～2．5 V的电压，通过积分器，电容C1充电，经过一定时间充电完成，电压达到最大值。当CMOS开关导通时，电容开始放电，电容反复进行充电、放电，这样反复循环，最后输出稳定的三角波。且用OPA2335AID作为积分器，缩短了周期，从而提高了频率。电路如图3所示。

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(3)第3级电路分析(芯片OPA2335AID、TS5A23166、REF3020)。
将稳定的三角波输入电压比较器负相输入端，而正相输入电压则由基准电压所提供。采用REF3020，可以输出恒定的2 V的电压，当比较器输出为高电平时，COMS开关导通，正输入端输入高电平，反之，输入低电平。电路经过这样反复循环过程，最后输出稳定的方波。电路如图4所示。

3 设计结果
本设计的单电源I／F转换电路能够较好地将电流信号和电压信号转换成稳定的方波信号，经过测试，具有较好的线性度。测试方法和测试数据记录如下：
(1)分别输入信号5 V，4．5 V，4 V，3．5 V，3 V，2．5 V，2 V，1．5 V，1 V，的输出电压，测量出对应的输出频率值，计算线性度，实现V／F转换。
(2)分别输入信号20 mA，18 mA，16 mA，14 mA，12 mA，10 mA，8 mA，6 mA，4 mA，观察输出波形，测量出对应的输出频率值，计算线性度，实现I／F转换。
测试结果分析：经分析，电路能实现I／F、V／F转换，计算得出线性度为+0．1％FS(5 Hz)，结果如图5和图6所示。

4 结束语
文中电路设计，能够较好地将电流信号和电压信号转换成稳定的方波信号，并在设计过程中充分利用单电源供电的特点、电路结构简单、稳定性较高、线性度好，能够满足过程仪表的精度要求且方便简洁，仪表设计具有较高的参考价值。