單電源I／F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

摘要：介紹了單電源I／F轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方法和功能。利用0PA2335AID、TS5A23166外加滯回電壓比較器、CMOS開(kāi)關(guān)等器件構(gòu)成的單電源I／F轉(zhuǎn)換電路，能將4～20 mA電流信號(hào)或1～5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為10～50 kHz的方波信號(hào)。采用3～5 V單電源供電，輸出線性度可達(dá)+0．1％FS。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高，線性度好。
關(guān)鍵詞：OPA2335AID；電壓-頻率轉(zhuǎn)換；電流-頻率轉(zhuǎn)換；TS5A23166

隨著數(shù)字儀表的廣泛使用，將III型儀表的1～5 V／4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一種數(shù)字量信號(hào)，成為許多儀表需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，而現(xiàn)在主要采用轉(zhuǎn)換電路，多數(shù)是雙電源供電，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差。本電路設(shè)計(jì)采用單電源電壓供電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，能提高電源使用效率。
I／F轉(zhuǎn)換電路主要包括電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)和電流～頻率轉(zhuǎn)換電路(IFC)兩部分。電壓／頻率轉(zhuǎn)換電路(VFC)的功能是將輸入直流電壓1～5 V經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，轉(zhuǎn)換成0．5～2．5 V的輸出電壓。經(jīng)過(guò)積分器，輸出穩(wěn)定的三角波，再將其輸入電壓比較器，最后輸出穩(wěn)定的矩形波，使輸出頻率為10～50 kHz。電流／頻率轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入直流電流4～20 mA經(jīng)過(guò)增益放大，輸出0．5～2．5 V的恒定電壓，最后完成頻率轉(zhuǎn)換，輸出穩(wěn)定的矩形波。此電路具有I／F、V／F電路轉(zhuǎn)換成頻率的功能。僅采用3～5 V的單電源供電，電路結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、輸出線性度高、功能完善。

1 電路方案設(shè)計(jì)
單電源I／F轉(zhuǎn)換電路最主要的部分是由運(yùn)算放大器、積分器、比較器、CMOS開(kāi)關(guān)電路組成。其設(shè)計(jì)的合理與否，直接關(guān)系到電路輸出波形的成功問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的電路原理框圖如圖1所示。

(1)運(yùn)算放大電路。
運(yùn)算放大器選用LM358，起放大輸入信號(hào)的作用，也可以構(gòu)成絕對(duì)值電壓跟隨器，調(diào)節(jié)輸入電壓。雖能實(shí)現(xiàn)本電路的功能，但是，LM358芯片放大速率較慢，信號(hào)供電電壓范圍小，僅為4～5 V，不夠穩(wěn)定，且特性溫度范圍小，為0～70℃，容易受溫度影響。運(yùn)算放大器選用OPA2335，采用單電源供電，工作電壓為+2．7+5．5 V，有MSOP-8和SO-8兩種封裝形式，內(nèi)部包含兩個(gè)運(yùn)算放大器。放大速率高，比較穩(wěn)定，且特性溫度范圍大，為-40～125℃，不易受溫度的影響。因此，選用OPA2335。
(2)CMOS開(kāi)關(guān)電路。
CMOs開(kāi)關(guān)選用芯片CD4016，但芯片CD4016內(nèi)阻較大，最大可達(dá)到100 Ω，且不夠穩(wěn)定，會(huì)隨著供電電壓的改變而改變。CMOS開(kāi)關(guān)選用芯片TS5A23166，輸入高電平，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；輸入低電平，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。TS5A23166芯片內(nèi)阻極小，只有0．5 Ω，較穩(wěn)定，不會(huì)隨電壓的改變而改變。所以選用TS5A23166芯片。