多通道的I/V( 电流/电压) 转换器的设计方法与心得

大家搞技术的都会清楚下面的常用的信号转换电路。

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0～10mA标准电流信号。DDZ-Ⅲ型仪表输出4～20mA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。

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。 主要是实现工业标准上的电压(0～5V、1～5V)到工业标准上的电流(0～10mA、4～20mA)的转换方法!

(1)无源I/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

图中R1和C构成无源滤波电路，即RC低通滤波电路，起到滤波的作用;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*I，即可使输入电流转换为电压形式输出。

(2)有源I/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，便于电路的调试，所以设计中选用有源I/V变换完成电流电压转换

0～10mA/0～5V电流/电压变换电路(下图)

4～20mA/0～5V电流/电压变换电路(下图)

电路的调试

根据各模块电路的原理介绍，在调试的过程中根据设计指标，合理改变一定的参数，使输出输入按一定的规律变化。把总的电路按上述模块实现的功能电路分别进行安装和调试。

通过对多路开关的切换，对电路进行一路一路调试。先将±15V电源接入，运放开始工作。

0～5V/0～10mA转换电路的调试

① 拨通第一路多路开关，如图所示转换电路。先进行运放电路的调零，

将输入信号接地，调节滑动变阻器使得输出也为零。改变输入电压的值，观察输出电流随输入的变化而变化，说明电路可以正常工作。当输入电压Vi=1V时,输出电流为Io=2.89mA,这与输出电流的原理值2mA有较大的误差。由原理分析知道，输出电流的大小与反馈电阻R4和输入平衡电阻R1有关，由于输出电流比理论电流值高，要使它减小，可以减小R4或者增大R1的值。改变反馈电阻，将它与一个18K的电阻并联，其替换电阻小于10k,再次测量当输入为1V电压时，输出电流测得2.65mA。虽然还存在着一定的误差，但明显有了很大的改观。由于输入与输出有一定的范围控制，在理论与实际相结合的情况下分析，反馈电阻不能太小，一旦过小，当输入为上限电压时，很难达到输出上限。最终测得输入电压和对应输出电流的数据如所示;

0～5V/0～10mA转换电路测量数据

根据上表数据，作出此电压/电流转换电路的输入输出曲线图，如图所示：由曲线可以看到，当电压输入在1～3V时，输出电流与理论的误差最大。[p]

0～5V/0～10mA转换电路对应曲线

②拨通第二路多路开关，如图为实现0～5V/0～10mA的转换，先将Ro=510Ω接入电路中，当输入为零电压时，用万用表测量输出电压的大小，发现输出为-14.79V，改变输入电压的值，输出恒为-14.79V不变。再次检查该电路的器件安装，发现没有问题。测量用作同相求和运算电路的OP-07的各引脚电压，测得如下数据，见表所示：

A1引脚电压测量值

Uo1=Up1(6脚电压大约为3脚电压的两倍)，这一点在允许误差的情况下基本满足要求。再测量用作电压跟随器的OP-07的各引脚电压，测得如下数据，见表所示：

A2引脚电压测量值

原理上Un2=Uo2(6脚电压等于2脚电压)，符合理论推导，计算Ro两端电压即为Uo1-Up2=-13.34-(-14.79)=1.45V,由原理分析，知道 ，可是电路的输出始终不随输入的变化而变化，电路不可调。在确信两个OP-07都能正常工作的情况下，再次分析电路原理，发现没有问题。考虑到电路的先决条件，即要求四个电阻平衡，即R1=R2=R3=R4，若四个电阻有误差很有可能引起电路的失调，使它不能完成预期的功能。将四个电阻一并换过，再次测量电路的输出电压，当输入为零时，输出也为零;当改变输入电压时，输出也随之改变，电路能正常工作。记录测量数据如表所示：

0～5V/0～10mA转换电路测量数据

根据上表数据，作出电压/电流转换电路输入输出对应曲线，如图4.2所示。由曲线图可以看出，输入电压和输出电流在规定范围内按线性变化，该转换电路具有很好的线性。

0～5V/0～10mA转换电路对应曲线