运放组成的V/I和I/V变换电路TOP6设计详解

　　对交流电的电压和频率进行转变的电路。按其对电能变换的功能，可分为交流调压电路和变频电路。前者不改变交流电的频率，只改变其电压。按一定规律控制交流调压电路开关的通断，即可控制输出负载电压。交流调压电路的控制方式有周波控制、相位控制和斩波控制等3种方式。周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。其缺点是在负载容量很大时，开关的通断引起对电网的冲击，从而引起电网电压闪变。相位控制调压适用于电动机速度控制或电热控制。其主要缺点是输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使它产生脉动转矩和附加谐波损耗，还会引起电源电压畸变。为此，须在电源侧和负载侧分别加滤波网络。斩波调压电路输出电压质量较高，对电源影响也较小，主要缺点是元器件成本较高。

　　1、 0-5V/0-10mA的V/I变换电路

　　图1是由运放和阻容等元件组成的V/I变换电路，能将0-5V的直流电压信号线性地转换成0-10mA的电流信号，A1是比较器。A3是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器A1的输出端得到输出电压VL，V1控制运放A1的输出电压V2，从而改变晶体管 T1的输出电流IL而输出电流IL又影响反馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的大小可通过下式计算：IL=Vf/（Rw+R7），由于负反馈的作用使Vi=Vf，因此IL=Vi/（Rw+R7），当Rw+R7取值为500Ω时，可实现0-5V/0-10mA的V/I转换。

　　

　　2、 0-10V/0-10mA的V/I变换电路

　　图2中Vf是输出电流IL流过电阻Rf产生的反馈电压，即V1与V2两点之间的电压差，此信号经电阻R3、R4加到运放A1的两个输入端 Vp与Vn，反馈电压Vf=V1-V2，对于运放A1，有VN=Vp;Vp=V1/（R2+R3）×R2，VN=V2+（Vi-V2）×R4 /（R1+R4），所以V1/（R2+R3）×R2=V2+（Vi-V2）×R4/（R1+R4），依据Vf=V1-V2及上式可推导出：

　　

　　若式中R1=R2=100kΩ，R1=R4=20kΩ，则有：Vf×R1=Vi×R4，得出：Vf=R4/R1×Vi=1/5Vi，如果忽略流过反馈回路R3、R4的电流，则有：IL=Vf/Rf=Vi/5Rf，由此可以看出。当运放的开环增益足够大时，输出电流IL与输入电压Vi满足线性关系，而且关系式中只与反馈电阻Rf的阻值有关。显然，当Rf=200Ω时，此电路能实现0-10v/0-10mA的V/I变换。

　　

　　3、 1-5V/4-20mA的V/I变换电路

　　在图3中。输入电压Vi是叠加在基准电压VB（VB=10V）上，从运放A1的反向输入VN端输入的，晶体管T1、T2组成复合管，作为射极跟踪器，起到降低T1基极电流的作用（即忽略反馈电流I2），使得IL≈I1，而运放A1满足VN≈Vp，如果电路图中 R1=R2=R，R4=R5=kR，则有如下表达式：

　　

　　由式①②③可推出：

　　

　　若Rf=62.5Ω，k=0.25，Vi=1-5V，则I1=4-20mA，而实际变换电流IL比I1小，相差I2（IL=I1- I2），I2是一个随输入电压Vi变化的变量，输入电压最小时（Vi=1V），误差最大，在实际应用中，为了使误差降到最小，一般R1，R2，Rf的阻值分别选取40.25kΩ，40kΩ，62.5Ω。

　　

　　4、 0-10mA/0-5V的I/V变换电路

　　在实际应用中，对于不存在共模干扰的电流输入信号，可以直接利用一个精密的线绕电阻，实现电流/电压的变换，如图4，若精密电阻 R1+Rw=500Ω，可实现0-10mA/0-5V的I/V变换，若精密电阻R1+Rw=250Ω，可实现4-20mA/1-5V的I/V变换。图中 R，C组成低通滤波器，抑制高频干扰，Rw用于调整输出的电压范围，电流输入端加一稳压二极管。

　　

　　对于存在共模干扰的电流输入信号，可采用隔离变压器耦合方式，实现0-10mA/0-5V的I/V变换，一般变压器输出端的负载能力较低，在实际应用中还应在输出端接一个电压跟随器作为缓冲器。

　　5、 由运放组成的0-10mA/0-5V的I/V变换电路

　　在图5中，运放A1的放大倍数为A=（R1+Rf）/R1，若R1=100kΩ，Rf=150kΩ，则A=2.5;若R4=200Ω，对于 0-10mA的电流输入信号，将在R4上产生0-2V的电压信号，由A=2.5可知，0-10mA的输入电流对应0-5V的输出电压信号。

　　

　　图中电流输入信号Ii是从运放A1的同相输入端输入的，因此要求选用具有较高共模抑制比的运算放大器。

　　6、 4-20mA/0-5V的I/V变换电路

　　经对图6电路分析，可知流过反馈电阻Rf的电流为（Vo-VN）/Rf与VN/R1+（VN-Vf）/R5相等，由此，可推出输出电压Vo的表达式：

　　Vo=（1+Rf/R1+Rf/R5）×VN-（R4/R5）×Vf.由于VN≈Vp=Ii×R4，上式中的VN即可用Ii×R4替换，若 R4=200Ω，R1=18kΩ，Rf=7.14kΩ，R5=43kΩ，并调整Vf≈7.53V，输出电压Vo的表达式可写成如下的形式：

　　

　　当输入4-20mA电流信号时，对应输出0-5V的电压信号。