由运放组成的 V-I、I-V 转换电路
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 V1,V1 控制运放 A2 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,如果所选用器件的性能参数比较稳定,故运放 A1、A2 的放大倍数较大,那么
这种电路的转换精度,一般能够达到较高的要求。
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,以提高驱动能力。
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,例如,OP-07、OP-27 等。
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 。