多通道的I/V（電流/電壓）轉換器的設計方法與心得

大家搞技術的都會清楚下面的常用的信號轉換電路。

常用的信號轉換電路有采樣/保持(S/H)電路、電壓比較電路、V/f(電壓/頻率)轉換器、f/V(頻率/電壓)轉換器、V/I(電壓/電流)轉換器、I/V(電流/電壓)轉換器、A/D(模/數(shù))轉換器、D/A(數(shù)/模)轉換器等。

在自動化測控系統(tǒng)設計中，為了提高系統(tǒng)可靠性，加快研制周期，一般采用DDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅲ型電動組合單元(儀表)，實現(xiàn)對非電量如溫度、壓力、流量、液位、位移等信號的測量，以及各類電動執(zhí)行器，變頻調速器等的輸出控制。DDZ-Ⅱ型儀表輸出0～10mA標準電流信號。DDZ-Ⅲ型儀表輸出4～20mA標準電流信號。大部分微機控制系統(tǒng)外部輸入的是模擬電壓信號，輸出的也是模擬電壓信號，因此為了和Ⅱ型、Ⅲ型儀表的輸入輸出信號相匹配，需要用相應的轉換電路實現(xiàn)電壓與電流之間的轉換。

I/V(電流/電壓)轉換器進行電流、電壓信號間的轉換。例如，對電流進行數(shù)字測量時，首先需將電流轉換成電壓，然后再由數(shù)字電壓表進行測量。在用光電池、光電阻作檢測元件時，由于它們的輸出電阻很高，因此可把他們看作電流源，通常情況下其電流的數(shù)值極小，所以是一種微電流的測量。隨著激光、光纖技術在精密測量儀器中的普及應用，微電流放大器越來越占有重要的位置。 主要是實現(xiàn)工業(yè)標準上的電壓(0～5V、1～5V)到工業(yè)標準上的電流(0～10mA、4～20mA)的轉換方法!

(1)無源I/V變換

無源I/V變換主要是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護措施

圖中R1和C構成無源濾波電路，即RC低通濾波電路，起到濾波的作用;二極管一端加固定電壓+5V，在另一端若有加至高于5V電壓，在滿足二極管一定特性的情況下，二極管將正向導通，所以在這里二極管起到了限幅的作用，輸出電壓V=R2*I，即可使輸入電流轉換為電壓形式輸出。

(2)有源I/V變換

有源I/V變換主要是利用有源器件運算放大器、電阻組成，如圖2.2所示。圖中利用運算放大器進行對輸入信號的放大。如圖虛線的左端是將輸入電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，輸入電流由于電容C的存在使R1兩端產生一定的壓降，然后由運算放大器實現(xiàn)電壓放大，從而完成電流到電壓的轉換。

比較無源I/V變換和有源I/V變換，有源I/V變換在實際應用中更為廣泛，而且可調性強，便于電路的調試，所以設計中選用有源I/V變換完成電流電壓轉換

0～10mA/0～5V電流/電壓變換電路(下圖)

4～20mA/0～5V電流/電壓變換電路(下圖)

電路的調試

根據(jù)各模塊電路的原理介紹，在調試的過程中根據(jù)設計指標，合理改變一定的參數(shù)，使輸出輸入按一定的規(guī)律變化。把總的電路按上述模塊實現(xiàn)的功能電路分別進行安裝和調試。

通過對多路開關的切換，對電路進行一路一路調試。先將±15V電源接入，運放開始工作。

0～5V/0～10mA轉換電路的調試

① 撥通第一路多路開關，如圖所示轉換電路。先進行運放電路的調零，

將輸入信號接地，調節(jié)滑動變阻器使得輸出也為零。改變輸入電壓的值，觀察輸出電流隨輸入的變化而變化，說明電路可以正常工作。當輸入電壓Vi=1V時,輸出電流為Io=2.89mA,這與輸出電流的原理值2mA有較大的誤差。由原理分析知道，輸出電流的大小與反饋電阻R4和輸入平衡電阻R1有關，由于輸出電流比理論電流值高，要使它減小，可以減小R4或者增大R1的值。改變反饋電阻，將它與一個18K的電阻并聯(lián)，其替換電阻小于10k,再次測量當輸入為1V電壓時，輸出電流測得2.65mA。雖然還存在著一定的誤差，但明顯有了很大的改觀。由于輸入與輸出有一定的范圍控制，在理論與實際相結合的情況下分析，反饋電阻不能太小，一旦過小，當輸入為上限電壓時，很難達到輸出上限。最終測得輸入電壓和對應輸出電流的數(shù)據(jù)如所示;

0～5V/0～10mA轉換電路測量數(shù)據(jù)

根據(jù)上表數(shù)據(jù)，作出此電壓/電流轉換電路的輸入輸出曲線圖，如圖所示：由曲線可以看到，當電壓輸入在1～3V時，輸出電流與理論的誤差最大。