4-20mA-0-5V转换电路
4-20mA/0-5V转换电路讨论专题
作者：佚名来源：本站整理发布时间：2009-11-20 16:36:11 为了满足模拟前端设计的需要，本专区特此推出模拟前端设计应用专题进行讨论。希望模拟高手或有经验的工程师们进来一起讨论和分享设计心得。这只是我们微控技术论坛的模拟前端一个新的开端，也是新的一个尝试。同时我们也会结合MSP430单片机、ADC前端电路一起结合讨论。
以下是我们开始的第一个专题：<<关于4-20mA/0-5V转换电路>>，大家可以就这个话题发表你的成功设计经历和成功硬件电路....。
引言<<4～20mA传感器数据处理新途径>> 秦严定迟文焕
在单片机控制的许多应用场合，都要使用传感器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如压力传感器、温度传感器、流量传感器等。早期的传感器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，通过模拟数字转换电路转换为数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了限制，暴露了抗干扰能力较差等缺点，而电流输出型传感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。
电压输出型压力传感器抗干扰能力差，有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备。
如测压范围为以0～35Mpa的输出压力传感器为例进行叙述。对于输出0～20mA的传感器0mA电流对应0MPa压力值，输出4～20mA的传感器4mA电流对应0MPa压力值，两类传感器的20mA电流都对应35MPa压力值。对于输出0～20mA的传感器，在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻，通过A/D转换器直接将电阻上的电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。对于输出4～20mA的传感器，电路调试及数据处理上都比较烦琐。但这种传感器能够在传感器线路不通时，通过是否能检测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为普遍。
关于4～20mA电流变送器的工业控制应用，摘自<<世界电子元器件>> 德州仪器公司提供
4~20mA电流环工作原理
在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR 供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。
4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。
电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。
满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。
4～20mA的传感器信号调理解决方案
4～20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。
二线制4～20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。
二线制方案设计需要考虑：
（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；
（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。
图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4～20mA 信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。
三线制4～20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：
（1）电流环路中的接收器的数量；
（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；
（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。
TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将0～5V或0～10V的输入电压直接转换到4～20mA、0～20mA、5～25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V 的电压参考可以用于驱动外部电路。
4～20mA的校正
传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。
现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。
XTR108是TI提供的校正4～20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：
（1）具有传感器的线性化电路；
（2）数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；
（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26～400倍；
（4）RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A；
（5）校正参数存储在外接的EEPROM中；
（6）可编程的过量程和欠量程的输出。
此外，TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案--PGA309，它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4～20mA 的输出。
DC,2007-01-08 11:11:58
以下是从网上转载几个4-20mA/0-5V转换电路，供各位参考：
使用LM35作为传感器的温度_电压转换电路，量程范围-9.9℃～89.9℃，对应输出 0～5.000V，专门给单片机 A/D转换输入接口应用。
压力变送器配套的单片机接口转换电路：
它把压力变送器来的 4～20mA 信号线性地转换成为 0～5V 的输出电压，以便提供给带A/D 转换的任何单片机作为输入信号。(以上电路是转载于/https://www.360docs.net/doc/2113652150.html,)
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问：电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不同？
答：霍尔传感器是传感器件，而电流变送器是将传感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信号进行传输，因此它们两个一个是传感器，另一个是电流变送器。
问：4~20mA信号是否存在温漂？如何解决？
答：实际上，4~20mA信号内部是用集成电路芯片来制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到放大器、电压到电流的转换时，会存在温漂，但这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的，因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作为前置放大，同时PGA309中还有温度的校准，它是每采集一个温度点来查表，进行温度满度或色调电压的校准，从而解决温度的漂移问题。
问：应该采取哪些措施实现4～20mA变送器的信号隔离？
答：对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法：一是变送器端的隔离，一是接收端的隔离。现在若有24V电压供给一个XTR115的芯片，XTR115 内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电压输出，对这个5V的稳压电压进行展波，经过一个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电源，然后再把模拟信号转换成数字信号，再经过一个隔离以后再提供给XTR115，再进行长线传输，这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔离的话，也可以在接收端加一个RCV420将电流转换成电压，再经过一个ISO124隔离放大器进行隔离，同时再经过一个DC/AC转换器向电路进行退电
供电，这样也能完成对4～20mA变送器信号的隔离。
问：变送器传输过来的信号应该怎么处理？是不是先要经过电流到电压的变化然后再到ADC？对 ADC的选择有什么特殊的考虑？
答：变送器传输的信号主要是一个电流信号，如果要采集它，一般要经过电流到电压的转换，这个TI 有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选择，主要根据对信号精度的要求来考虑。
问：接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信号，在接收方式和信号处理上有何不同？要注意些什么问题？
答：在接收方式上，如果是二线制4~20mA信号，由接收端向SPI端提供电源，通过电源线经过4~20mA 信号线来提供电源。三线制4～20mA信号是由发生端（SPI）来提供电源的，所以说它们提供的电源是不同的，一个是由接收端而另一个是从远端来提供电源的。
它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压信号，然后再经过AD转换器，这时候就牵扯到一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般在工业上，它们会加一个推电器，就是在接收端同时提供一个24V的电源，通过4~20mA电流线向远端进行供电。
问：现在市场上的变送器是否有数字输出接口？比如RS-485或者RS-232？
答：现在市场上的变送器通常用标准的485或232通讯接口来传输，这个产品其实早在10年前就有了，它们把现场的信号模拟成传感器的信号，直接传数字量，然后经过485进行传输，这是比较多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX，它内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换器及通信接口输出，如果用它来做的话，很容易把它做成一个485或232通信接口的数字变送器芯片。
问：在4~20mA变送器的信号传输过程中，如何有效地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干扰？在系统故障状态，是否具有事故信息追忆功能？
答：如果有电磁干扰，首先说电磁的发射，当传感器接入的时候，如果具有很高的输入阻抗的时候，有可能产生电磁干扰，可以加一些电阻电容进行滤波，TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大家参考。过电压的时候，4~20mA的长线输出的时候，可以借助36V 的稳压块来进行过电压保护，如果极性接反的时候，可以在输入回路里加一个整流桥堆来对极性进行调整。
问：如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转换？主要是精度方面，是否能给一个具体例子？
答：如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转换时，TI有一个专用芯片RCV420，它里面采用的是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运算放大器和一个精密的基准电压器，即10V的基准电压，这个10V基准电压大概是5个或10个 TTN的温度系数，用这个片子就可以很精确地将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。
问：有没有串行接口出来就是4~20mA？最好能出来 0~20mA，类似于ADI的AD420，但AD420太贵，而且外围东西太多。
答：也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个 XTR110，它是一个很廉价的电压到电流的转换，前面或者用一个DA转换器，或者用一个PWM 的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过一个电阻接到XTR115的输入端，这样就可以满足HART协议来替换AD420，这时的
成本应该是很低的，应用也很方便。
问：使用4~20mA变送器时，是否需要通过控制器对其进行编程？
答：TI变送器电流环有几类产品，有的可以通过控制器进行编程校正，也有的可以通过模拟的、通过外部设置来进行校正。
问：如何用PWM信号控制4～20mA电流？
答：用PWM信号控制4～20mA电流很常用，通常采用一个单片机放在前面对传感器进行测量，测量好后把模拟信号转换成数字信号，但是它内部不包含DA转换器，它是用一个PWM 信号来输出。像TI的XTR115芯片，它包含一个典型电路：把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA 的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即可完成电路的控制。
问：是否有办法从4~20mA 线缆中取电，同时又不影响模拟信号的转换和采集结果？答：如果是二线制的时候，因为是通过电源来向远端的SPI 芯片来进行供电的，若采用的是XTR115或其他XTR芯片，可以把24V电源转换成一个稳压电源的信号，一般都是5.1V 的信号，使用5.1V的信号对前面的芯片进行供电，这时候应该没有这种问题。TI的XTR 芯片专门考虑了这个问题，所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前面的电路供电，而不会影响模拟信号的转换和采集结果。
DC,2007-01-08 11:12:10
留3楼
chenjun,2007-01-08 16:19:12
目前正做模拟前端电路，很有参考价值啊！
蓝色理想,2007-01-12 10:12:03
疑问1;还是不明白PWM信号怎么转换成4-20mA电流信号,有没有相应电路参考一下???
疑问2:传感器输出信号比如电阻应变计的,它的零点输出有负的,比如(-0.5mV),这样的信号,ADC怎么采集.输出根据输入是要对应线性的
coreshao,2007-03-17 11:35:14
赞楼主
做毕业设计正需要这个
succesing,2007-05-25 12:42:55
看了你发起的关于模拟前端电路的设计话题，我现正在用430做此类设计，对I/V转换（4-20mA如何变成DA能接受的信号）和V/I转换（如何把电压变成4-20mA，驱动现场设备）的原理我不是很懂，
我在网上也查了不少资料，只有你的比较有参考价值，但我还是迷茫，
1、现在比较成熟的转换芯片是那款，还是RCV420和XTR115么？
2、还是不明白PWM信号怎么转换成4-20mA电流信号,有没有相应电路参考一下???
3:传感器输出信号比如电阻应变计的,它的零点输出有负的,比如(-0.5mV),这样的信号,ADC 怎么采集.输出根据输入是要对应线性的
4、如果方便能把一些实用资料发给我么？
succesing@https://www.360docs.net/doc/2113652150.html, 发些相关网站地址也可，
我现在不知道如何设计电路，主要对4-20mA电流不是很熟
5、如果不方便可在论坛里回复
https://www.360docs.net/doc/2113652150.html,/mcbbs/Announce/Announce.asp?BoardID=103&ID=8595 6、你曾经上传一个4-20mA的讲座，但那个在线讲座只能打开前6页，之后就断了
同时希望结交一起开发430应用的朋友我的QQ244398459 （现在晚上上线
cooi,2007-05-29 15:14:47
菜鸟正在用XTR115做PWM控制4-20mA电流的电路.不知道版主能不能提供一些相关的程序供参考呢?
DC,2007-05-29 16:08:31
I ma sorry,我也没有这方面的例程,如果有我一定公开给大家.
duruiss,2007-06-04 19:00:28
网上转载的哪个原理图没有看懂！
麻烦大虾讲解一下！！！
brutal918,2007-06-04 19:20:09
这篇文章不错
kanghv,2007-06-05 00:17:48
我有一个过去做的4-20mA的例子，430F449芯片，AD421做4-20mA控制，两线制。出于对技术保密，不便公开详细资料，不好意思。
两线制4-20mA电路设计时，有几点需注意。
1、主电路在任何时候，用电流都最好不要超过3.5mA。
2、电路中如果有分时供电设计，在不同电路启动和停止时，尽量采用软开关，不要突然开关。不要以为我的供电不超过3.5mA，就不会对输出有影响。
3、电路中如果有分时供电设计，在不同电路启动时，尽可能多提前启动一会儿，让电路多稳定一会儿。
4、电源滤波电容很关键，省钱不在这儿，钽电容会给你省不少事。如果不是本安防爆电路，滤波电容大一点没坏处。可惜，我做的是本安电路，麻烦死了。
另外，4-20mA对应的多是1-5V，楼主为何介绍0-5V而不提1-5V？其实很简单，有专用的250欧姆电阻，转一下就是了。
电压电流转换电路
模拟电路课程设计报告设计课题：电流电压转换电路 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计时间：
电流电压转换电路 一、设计任务与要求 ①将4mA～20mA的电流信号转换成±10V的电压信号，以便送入计算机进行处理。 这种转换电路以4mA为满量程的0％对应－10V，12mA为50％对应0V，20mA为 100％对应＋10V。 ②用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。 二、方案设计与论证 在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA为此，常要先将其转换成+10v 或—10v的电压信号，以便送给各类设备进行处理。这里转换电路以4mA为满量程的0%对 应-10V，12mA为50%对应0V，20mA为100%对应+10V。 方案一 、。
方案二 方案二所示的是由单个运放构成的电流/电压转换电路。由于运放本身的输入偏置电流不为零，因此会产生转换误差。 三、单元电路设计与参数计算 1、桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流 电源（±12V）。 其流程图为： 直流电源电路图如下：
原理分析： (1)电源变压器。 其电路图如下： 由于要产生±12V的电压，所以在选择变压器时变压后副边电压应大于24V,由现有的器材可选变压后副边电压为30V的变压器。 (2)整流电路。 其电路图如下：
①原理分析： 桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。 整流输出电压的平均值（即负载电阻上的直流电压VL）VL定义为整流输出电压vL 在一个周期内的平均值，即 设变压器副边线圈的输出电压为，整流二极管是理想的。则根据桥式整流电路的工作波形，在vi 的正半周，vL = v2 ，且vL的重复周期为p ，所以
运放电压电流转换电路
运放电压电流转换电路 LELE was finally revised on the morning of December 16, 2020
运放电压电流转换电路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，如果所选用器件的性能参数比较稳定，运故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：
常用电流和电压采样电路
2常用采样电路设计方案比较 配电网静态同步补偿器（DSTATCOM ）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM 的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM 的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。 图2-1 DSTATCOM 系统总体硬件结构框图 2.2.11 常用电网电压同步采样电路及其特点 .1 常用电网电压采样电路1 从D-STATCOM 的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。
图2-2 同步信号产生电路1 从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC 滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R 5=1K Ω，5pF，则时间常数错误！未 因此符合设计要求;第二部分由电压比较器LM311构成， 实现过零比较;第三部分为上拉箝位电路，之后再经过两个非门，以增强驱动能力，满足TMS320LF2407的输入信号要求。 C 4=1找到引用源。< 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 电路连接练习（1） 1、按电路图，将实物连成电路. 2、根据图所示的电路图连接图所示的实物图 3、按电路图（甲）连接图（乙）： 4、按图所示的实物图画电路图： 5、按图所示的实物图画电路图：； 6、按图所示的实物图画电路图： 7、按图所示的实物图画电路图： 8、按图所示的实物图画电路图： 9、按图所示的实物图画电路图： 10、按图所示的实物图画电路图：》 11、按图所示的实物图画电路图： 12、按图所示的实物图画电路图： 13、按图所示的实物图画电路图： 14、按图所示的实物图画电路图： [ 15、按图所示的实物图画电路图：] : ？； 电路连接练习（2） 16、按图所示的实物图画电路图： ( 17、按图所示的实物图画电路图： 18、将下图中的元件连接起来，形成并联电路并标出电流的方向.（要求每个开关控制一个灯泡） 19、将下图中给出的元件用导线按要求连接起来，标出电流流动的方向： （1）用开关控制灯泡 （2）用开关控制电动机和发光二极管20、一节电池一个开关、两盏灯L1和L2要组成并联电路，还应再连接两根线就可以了。 ） 21、根据电路图连接实物图： 22、根据电路图连接实物图： 23、根据电路图连接实物图： 24 、 根据电路图 连接实物图： | 25、图B 所示的实物图画成电路图： 26、按图所示的实物图画电路图： 27、根据实物图 画出电路图； 28、根据实物图 画出电路图； 29、将下图中的元件连接起来，形成串联电路并标出电流的方向. { 30、某医院安装了一种呼唤电铃，使各病床的病人均可单独呼叫，只要一按床头的开关，值班室的电铃就响，且与该病床相对应的指示灯亮，请在图中画出正确的连接方法: : 几个常用的电压电流转换电路 I/V转换电路设计 1、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，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。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?（R1+Rw）（Rw可以调节输出电压范围） 缺点是：输出电压随负载的变化而变化，使得输入电流与输出电压之间没有固定的比例关系。 优点是：电路简单，适用于负载变化不大的场合， 2、由运算放大器组成的I/V转换电路 原理： 先将输入电流经过一个电阻（高精度、热稳定性好）使其产生一个电压，在将电压经过一个电压跟随器（或放大器），将输入、输出隔离开来，使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压。然后经一个电压跟随器（或放大器）输出。C1滤除高频干扰，应为pf级电容。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?R4?(1+（R3+Rw） R1 ) 注释：通过调节Rw可以调节放大倍数。 优点：负载不影响转换关系，但输入电压受提供芯片电压的影响即有输出电压上限值。 要求：电流输入信号Ii是从运算放大器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。R4为高精度、热稳定性较好的电阻。 V/I转换电路设计 原理： 1、V I 变换电路的基本原理： 最简单的VI变换电路就是一只电阻，根据欧姆定律：Io=Ui R ，如果保证电阻不变，输出电流与输入电压成正比。但是，我们很快发现这样的电路无法实用，一方面接入负载后，由于不可避免负载电阻的存在，式中的R发生了变化，输出电流也发生了变化；另一方面，需要输入 1. B L2 L1 2. 3. 4. 5．如图所示，现有一个电池组、两个开关和两盏电灯，请你在接好下面的实物电路图，使S1闭合时L1亮，S2闭合时L2亮。 6．如下图所示，将所给的元件连接起来，要求L1、L2并联，电流表测干路电流，开关控 制整个电路，根据实物连接画电路图。 7．请你设计一个电路图，要求将L1、L2并联，开关S1作总开关，S2控制灯L2，电流表测A1测干路电流，电流表A2测L1所在支路电流，请按要求将下图中所画的实物连接好，并根据实物图画出电路图。 8．某同学用如图的连线来测灯泡L1的电流。 （1）在该图中，电流表的连接有什么错误？ （2）现要测L2灯的电流，但只允许变动原图中一根导线中一个端点的接线位置，应如何改动？ 9．如下图所示的电路盒，面板上有红、绿灯各一个，三个拨动开关S1、S2、S3。为了在不 打开盒子的情况下探究盒内的电路结构，小明做了多次实验并将结果填入下表。 只闭合的开关 S1S2S3S1、S2S 2、S3S1、S3S1、S2、S3灯的发光红灯不亮不亮不亮亮不亮不亮亮 情况绿灯不亮不亮不亮不亮亮不亮亮 根据上述实验情况，在虚线框内画出盒内的电路图。 10.为测小灯泡的电阻，给你如图7—9所示的器材，请你完成如下几个小题。 1．用笔画线代替导线完成电路的连接，并在方框中画出相应的电路图。 11.现有电源、开关、导线、两只灯泡和两只电流表，如图5-5-11所示，请你设计一个电路，要求：两只灯泡并联，两只电流表接入电路中，只要将开关闭合，就能测出干路电流和其中一条支路上的电流。 图5-5-11 图5-5-12 (1)画出你设计的电路图。 (2)按照你设计的电路将图5-5-12中的元件连接起来。(已知干路上的电流约0.56 A) 图7-9 运放电压电流转换电路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，如果所选用器件的性能参数比较稳定，运故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 实用的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换电路 2008-10-25 07:18:28 标签：实用4～20mA输入0～5V输出I／V转换电路 最简单的4－20mA输入/5V输出的I/V转换电路 在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器(变送器)输出的1-10mA或者4-20mA电流信号转换成为电压信号，往往都会在后级电路的最前端配置一个I/V转换电路，图1就是这种电路最简单的应用示意图。 仅仅使用一只I/V转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取样电阻可以按照Vin／I=R求出，Vin是单片机需要的满度A／D信号电压，I是输入的最大信号电流。 这种电路虽然简单，但是却不实用，首先，其实际意义是零点信号的时候，会有一个零点电流流过取样电阻，如果按照4~20mA输入电流转换到最大5V电压来分析，零点的时候恰好就是1V，这个1V在单片机资源足够的时候，可以由单片机软件去减掉它。可是这样一来。其有用电压就会剩下5-1=4V而不是5V了。由于单片机的A／D 最大输入电压就是单片机的供电电压，这个电压通常就是5V，因此，处理这种简单的输入转换电路时比较麻烦。为了达到A／D转换的位数，就会导致芯片成本增加。 LM324组成的4－20mA输入/5V输出的I/V转换电路 解决上面问题的简单方法是在单片机输入之前配置一个由运算放大器组成的缓冲处理电路，见图2。 增加这级运算放大器可以起到对零点的处理会变得更加方便，无需耗用单片机的内部资源，尤其单片 机是采用A／D接口来接受这种零点信号不为零电压的输入时，可以保证A/D转换位数的资源能够全部应 用于有用信号上。 以4～20mA 例，图B中的RA0是电流取样电阻，其值的大小主要受传感变送器供电电压的制约，当前 级采用24V供电时，RA0经常会使用500Ω的阻值，对应20mA 的时候，转换电压为10V，如果仅仅需要最 大转换电压为5V，可以取RA0=250Ω，这时候，传感变送器的供电只要12V就够用了。因为即使传送距离 达到1000米，RA0最多也就几百Ω而已。 同时，线路输入与主电路的隔离作用，尤其是主电路为单片机系统的时候，这个隔离级还可以起到保 护单片机系统的作用。 电流/电压转换电路 一．实验目的 掌握工业控制中标准电流信号转换成电压信号的电流/电压变换器的设计与调试。二．实验原理 在工业控制中各类传感器常输出标准电流信号4~20mA，为此，常要先将其转换成±10V ；的电压信号，以便送给各类设备进行处理。这种转换电路以4mA 为满量程的0%对应-10V ；12mA 为50%对应0V ；20mA 为100%对应+10V。参考电路见图3-20-1所示。 O 图3-20-1 电流/电压变换电路 图中A 1运放采用差动输入，其转换电压用电阻R 1两端接电流环两端，阻值用500Ω，可由二只1K Ω电阻并联实现。这样输入电流4mA 对应电压2V ，输入 电流20mA 对应电压10V 。A 1设计增益为1，对应输出电压为-2V~-10V。故要求电阻R 2,R 3,R 4和R 5+RW 阻值相等。这里选R 2=R3=R4=10KΩ；选R 5=9.1K?，R W1=2KΩ。R w1是用于调整由于电阻元件不对称造成的误差，使输出电压对应在-2V~-10V。变化范围为-2-（-10）=8V. 而最终输出应为-10V~+10V，变化范围10V-(-10V=20V，故A 2级增益为20V/8V=2.5倍，又输入电流为12mA 时，A 1输出电压为-12mA×0.5mA=-6V. 此时要求A 2输出为0V 。故在A 2反相输入端加入一个+6V的直流电压，使 A2输出为0。A 2运放采用反相加法器，增益为2.5倍。取R 6=R7=10K?，R 9=22K?，R W2=5K?，R 8=R6//R7//R9=4K?，取标称值R 8=3.9K?。 反相加法器引入电压为6V ，通过稳压管经电阻分压取得。稳压管可选稳定电压介于6~8V间的系列。这里取6V2，稳定电压为6.2V 。工作电流定在5mA 左右。电位器电流控制在1~2mA左右。这里I RW3=6.2V/2K=3.1mA。则有（12V-VZ ）/R10=IZ +IRW3 故 R 10= 12V V Z 126. 2 ==0. 71K ? I Z +I RW 35+3. 1 取标称值R 10=750?. 式中12V 为电路工作电压。 R W2用于设置改变增益或变换的斜率(4mA为-10V ，20mA 为+10，通过调整R W2使变换电路输出满足设计要求。三．设计任务 1．预习要求 熟悉有关运放的各类应用电路，按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。2．设计要求 电压频率与频率电压 转换电路 2011年8月24日 目录： 摘要： (2) Abstract: (2) 一、设计方案 (3) （一）、电压频率转换电路 (3) 1.基于555定时器的电压频率转换： (3) 2.基于LM331的电压频率转换： (4) （二）、频率电压转换电路 (5) 1.基于LM2907的频率电压转换： (5) 2.基于LM331的频率电压转换 (5) 二、主体电路设计 (8) 三、电路安装 (9) （一）、电压频率转换电路 (9) （二）、频率电压转换电路 (10) 四、系统调试： (10) （一）VFC: (10) （二）FVC： (11) 1 摘要： 本系统利用了LM331的原理及性能设计了频率电压以及电压频率转换电路，实现了0Hz--10kHz频率与0—10V电压的相互转换，电路简单，转换结果线性度好。 关键字：LM331 频率电压转换滤波 Abstract: The system uses the principle and characteristic of LM331 to design the frequency-to-voltage and the voltage-to- frequency conversion circuits, realizes the frequency of 0Hz--10kHz and the voltage of 0 - 10V’s transformation , the circuits are simple and result have good linearity. Key-word: LM331 frequency voltage transformation filter 2 实物图与电路图的转化方法 按照电路图连接实物图和将实物图的连接情况画成电路图，是初中电学中一项非常重要的实验技能，是同学们在学习电路知识时应该掌握的基本技能之一，下面向同学们介绍一种做好电路图和实物图转化题的好方法。 一. 根据电路图连接实物图的方法 通常情况下只要对照电路图，从电源正极出发，逐个顺次地将实物图中的各元件连接起来即可，而对于复杂的实物图的连接，我们可以分以下几步完成：（1）在电路图中任选一条单一的回路，并对照这个回路在实物图中将相应的元件连接好。 （2）对照电路图，把所选回路以外的元件分别补连到实物图的相应位置，在连入回路以外的元件时，要找出电路中电流的分流点和汇合点，将回路以外的元件连接在两点之间。这里要特别注意实物图中元件的连接顺序必须与电路图中各元件的顺序一致。 例1. 请按照图1所示的电路图将图2中的实物元件连接起来。 分析：首先在图1中任选一条单一的回路，我们可以选择电池、开关S和灯L2、L3所组成的电路，并按此回路在图2中将对应的实物依次连接起来，将电池的正极接L3的左端，L3的右端接L2的左端，L2的右端接S的右端，S的左端接电池的负极。然后对照图1，将漏选的灯L1、S1连接在分流点（L3的左端）和汇合点（L2的右端），即L1的左端接L3的左端，L1的右端接S1的左端，S1的右端接L2的右端，这样整个电路就连接好了（如图3所示） 图3 小结： 以上连接实物图的方法，我们可以用一句话来概括：先找路、后连图、再补漏。连接实物图时，导线不要交叉，导线的端点必须接在各元件的接线柱上。 二. 根据实物图画电路图的方法 根据实物图画电路图时要用规定的电路符号代替实物，按照实物的连接方式画出规范的电路图。画电路图时要注意： （1）电路图中各元件摆放的位置尽量与实物图中各元件位置相对应，这样便于检查。 （2）各电路元件摆放的位置要均匀、美观； （3）交叉连接的导线，一定要在连接处画一个“黑点”。 例2. 画出图4所示实物电路的电路图。 分析：这个电路包括了以下元件：电池，开关S1、S2、S3，灯L1、L2，要想弄清它们的连接关系，我们要从电源的正极出发，来分析一下电流的路径。 由此我们可以根据以 上分析我们画出的电路图（如图5所示）。 小结：依照实物连接图画电路图，同样也要弄清电流分流点和汇合点，画好电路图后一定要标明元件的符号（与实物相对应）。 2常用采样电路设计方案比较 配电网静态同步补偿器（DSTATCOM）系统总体硬件结构框图如图2-1所示。由图2-1可知DSTATCOM的系统硬件大致可以分成三部分，即主电路部分、控制电路部分、以及介于主电路和控制电路之间的检测与驱动电路。其中采样电路包括3路交流电压、6路交流电流、2路直流电压和2路直流电流、电网电压同步信号。3路交流电压采样电路即采样电网三相电压信号；6路交流电流采样电路分别为电网侧三相电流和补偿侧三相电流的电流采样信号；2路直流电压和2路直流电流的采样电路DSTATCOM的桥式换流电路的直流侧电压信号和电流信号；电网电压同步信号采样电路即电网电压同步信号。 信号调 理TMS320 LF2407A DSP 键盘显示 电路电压电流信号驱动电路保护电路 控制电路检测与驱动 电路主电路 图2-1 DSTATCOM系统总体硬件结构框图 2.1常用电网电压同步采样电路及其特点 2.1.1 常用电网电压采样电路1 从D-STATCOM的工作原理可知，当逆变器的输出电压矢量与电网电压矢量幅值大小相等，方向相同时，连接电抗器内没有电流流动，而D-STATCOM 工作在感性或容性状态都可由调节以上两矢量的夹角来进行控制，因此，逆变器输出的电压矢量的幅值及方向的调节都是以电网电压的幅值和方向作为参考的，因此，系统电压与电网电压的同步问题就显得尤为重要。 图2-2 同步信号产生电路1 从图2-2所示同步电路由三部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节的时间常数应远小于系统的输出频率，即该误差可忽略不计。其中R5=1K ，C4=15pF，则时间常数错误！未找到引用源。< I/V转换电路设计1、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，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。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?（R1+Rw）（Rw可以调节输出电压范围） 缺点是：输出电压随负载的变化而变化，使得输入电流与输出电压之间没有固定的比例关系。 优点是：电路简单，适用于负载变化不大的场合， 2、由运算放大器组成的I/V转换电路 原理： 先将输入电流经过一个电阻（高精度、热稳定性好）使其产生一个电压，在将电压经过一个电压跟随器（或放大器），将输入、输出隔离开来，使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压。然后经一个电压跟随器（或放大器）输出。C1滤除高频干扰，应为pf级电容。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?R4?(1+(R3+Rw) R1 ) 注释：通过调节Rw可以调节放大倍数。 优点：负载不影响转换关系，但输入电压受提供芯片电压的影响即有输出电压上限值。 要求：电流输入信号Ii是从运算放大器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。R4为高精度、热稳定性较好的电阻。 V/I转换电路设计 原理： 1、V I 变换电路的基本原理： 最简单的VI变换电路就是一只电阻，根据欧姆定律：Io=Ui R ，如果保证电阻不变，输出电流与输入电压成正比。但是，我们很快发现这样的电路无法实用，一方面接入负载后，由于不可避免负载电阻的存在，式中的R发生了变化，输出电流也发生了变化；另一方面，需要输入信号提供相应的电流，在某些场合无法满足这种需要。 1 、基于运算放大器的基本VI变换电路为了保证负载电阻不影响电压/电流的变换关系,需要对电路进行调整,如图1是基于运算放大器的基本VI变换电路。利用运算放大器的“虚短”概念可知U-=U+=0；因此流过Ri的电流： Ii=Ui R 实物图与电路图的转化法 先分析电路，不用着急连电源，先找那些用电器和电表是并联的，找哪些是串联的，最后连总电路。但是要注意一点：电流表和电压表的连接线柱不要接反了，否则的话要扣分的。 一，根据电路图连接实物图时，一般有以下几个法： 1、先串后并法： 从电源正极开始，先连接电路中元件最多的一条支路，再将其他支路并联在此支路 上。 2、标号法： 从电源正极开始，先连接电路中元件最多的一条支路，再将其他支路并联在此支路 上。 3、标路径法： 当你看到一个电路图，你先识别时串联还是并联。 如果是串联，比如说一个电路依次是从正极到开关S到电器L1到用电器L2到负极，那么我们不妨先在草稿纸上写出电流的向：+ →S →L1 →L2 →—，然后根 据这个就可以依次连接实物图。 如果是并联，那么我们先分清楚电流从正极到负极有几条路，比如说一个并联电路，它的干路是从正极到开关S，支路一是从开关S1到用电器L1，支路二是从开关S2 到用电器L2，那么我们分别写出两条支路的电流向: + →S →S1 →L1 –和+ →S →S2 →L2 →-- , 然后找出相同的部分，那么这些相同的部分就是一条路了，再在不同德部分开始分 岔，这样连接实物图，很有效。 二、根据实物图画出电路图 根据实物图画出电路图是初中物理中常见的题目，在这里可做如下假设： (1)、导线像橡皮筋，可伸长可缩短，不会被扯断。 (2)、接点即可拆分，又可以合并。并且能够移动，只要不夸任电路元件。 (3)、电路元件可以挪动，只要不跨过任接点。 (4)、导线可以拆股，可并股。一般可以拆分多股，多股可以并为一股。 1、替换法、 将实物图中的元件用特定的符号替换下来，再将图形整理成规的电路图的一种法。 替换时要注意： (1)、必须用特定的符号代替电路元件； (2)、接线柱上的连接位置不能改变； (3)、电源极性、电表正负接线柱不能颠倒。 2、节点法： (1)、在实物图中将各元件用字母标好； (2)、从电源正极出发，找到一个节点（就像三岔路口一样，两条或三条或更多导线 交的一点），假定为A点。 (3)、从电源负极出发，找到一个支点，假定为B点； (4)、在A、B之间有电源的部分是干路，在A、B之间但没有电源的部分是支路； (5)画出干路，并标出A、B点； (6)、画出支路； (7)、对照实物图，按照从A点到B点的元件顺序画出第一条支路； (8)、用同样的法画出其他支路； (9)、检查整理，使电路图规、美观； 注：画图时，随时将画出的元件用字母表示。 （一）电流路径法 一. 根据电路图连接实物图的法 通常情况下只要对照电路图，从电源正极出发，逐个顺次地将实物图中的各元件连接起来即可，而对于复杂的实物图的连接，我们可以分以下几步完成： I/V转换电路设计 1、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，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。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?（R1+Rw）（Rw可以调节输出电压范围） 缺点是：输出电压随负载的变化而变化，使得输入电流与输出电压之间没有固定的比例关系。 优点是：电路简单，适用于负载变化不大的场合， 2、由运算放大器组成的I/V转换电路 原理： 先将输入电流经过一个电阻（高精度、热稳定性好）使其产生一个电压，在将电压经过一个电压跟随器（或放大器），将输入、输出隔离开来，使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压。然后经一个电压跟随器（或放大器）输出。C1滤除高频干扰，应为pf级电容。 电路图如下所示： 输出电压为： Vo=Ii?R4?(1+(R3+Rw) R1 ) 注释：通过调节Rw可以调节放大倍数。 优点：负载不影响转换关系，但输入电压受提供芯片电压的影响即有输出电压上限值。 要求：电流输入信号Ii是从运算放大器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。R4为高精度、热稳定性较好的电阻。 V/I转换电路设计 原理： 1、VI变换电路的基本原理： 最简单的VI变换电路就是一只电阻，根据欧姆定律：Io=Ui R ，如果保证电阻不变，输出电流与输入电压成正比。但是，我们很快发现这样的电路无法实用，一方面接入负载后，由于不可避免负载电阻的存在，式中的R发生了变化，输出电流也发生了变化；另一方面，需要输入信号提供相应的电流，在某些场合无法满足这种需要。 1、基于运算放大器的基本VI变换电路为了保证负载电阻不影响电压/电流的变换关系,需要对电路进行调整,如图1是基于运算放大器的基本VI变换电路。利用运算放大器的“虚短”概念可知U-=U+=0；因此流过Ri的电流： Ii=Ui R 电压频率和频率电压转换电路的设计 图1 数字测量仪表电压/频率电路是一种模/数转换电路，它应用于模/数转换，调频，遥控遥测等各种设备。（2）F/V转换电路F/V转换电路的任务是把频率变化信号转换成按比例变化的电压信号。这种电路主要包括电平比较器、单稳态触发器、低通滤波器等电路。它有通用运放F/V转换电路和集成F/V转换器两种类型。1、1设计要求设计一个将直流电压转换成给定频率的矩形波的电路,要求包括：积分器；电压比较器和一个将给定频率的矩形波转换为直流电压的电路，要求包括：过零比较器、单稳态触发器、低通滤波器等。1、2 设计指标(1）输入为直流电压0- 10V，输出为f=0-500Hz的矩形波。 （2）输入ui是0~10KHZ的峰-峰值为5V的方波，输出uo为0~10V的直流电压。2 设计内容总体框图设计2．1 V/F转换电路的设计2、1、1 工作原理及过程积分器和滞回比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2所示，比较器输出的矩形波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成矩形波，这样便可构成三角波，矩形波发生器。由于采用集成运放组成的积分电路，因此可以实现恒流充电，能够得到比较理想的矩形波。 通过分析可知，矩形波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值。 矩形波的振荡频率2、1、2 模块功能积分器：积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。滞回比较器：用来输出矩形波，积分器得到的三角波可触发比较器自动翻转形成矩形波。稳压管：用来确定矩形波的幅值。 图2 总体框架图2、2 功能模块的设计2、2、1 积分电路工作原理积分电路可以完成对输入电压的积分运算，即输入电压与输出电压的积分成正比。由于同相积分电路的共模输入分量大，积分误差大，应用场合少，所以不予论述，本课程设计用到的是反相积分电路。图3 积分器反相积分电路如图3 所示，电容器C 引入交流并联电压负反馈，运放工作在线性区。由于积分运算是对瞬时值而言的，所以各电流电压均采用瞬时值符号。由电路得因为“-”端是虚地，即U-=0,并且式中是积分前时刻电容C上的电压，称为电容端电压的初始值。所以把代入上式得当时若输入电压是图所示的阶跃电压，并假定,则t>=0时，由于，所以由此看出，当E为正值时，输出为反向积分，E对电容器恆流充电，其充电电流为E/R，故输出电压随线性变化。当向负值方向增大到集成运放反向饱和电压时，集成运放进入非线性工作状态，保持不变，图3所示。 如输入是方波，则输出将是三角波，波形关系如图4所示。当时间在0～期间时，电容放电当t=1时，当时间在～期间时，电容充电，其初始值所以当 t= 时，。 由于应用和原理的不同，电流信号的输出，如传感器变送器输出的4~20mA，需要变换成电压以利于后续驱动或采集。对于不同的电流信号，考虑功率问题，有的需要先经过电流互感器将大电流变小，否则大电流容易在电阻上产生过大的功率。 下面介绍几种I/V变换的实现方法。 分压器方法 利用如图1分压电路，将电流通入电阻。在电阻上采样出电压信号。其中，可以使用电位器调节输出电压的大小。这种方法最简单，但需要考虑功率和放大倍数的选择问题。 霍尔传感器方法 使用霍尔效应，在元件两端通过电流I，并在元件垂直方向上施加磁感应强度B的磁场，即 会输出电压。由下面的公式获得线性关系。 其中，RH为霍尔常数，I为输入电流，B为磁感应强度，d为霍尔元件厚度。 这种方法多用于对电流的测量，虽然也可以实现转换，但是精度有限。 积分电路方法 电压可以看作是电流的积分，利用如图电路有： 为保证精度，选取运放时尽量找输入阻抗大的。该电路常用于PID调节，积分电路成熟且放大倍数和精度较好。但要注意这种电路输出电压和输入电流的相位是相反的。 运放直接搭接的方法（跨阻放大器） 充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号，如图电路 电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为 这种方法避免了运放输入失调电压和输入偏置电流和失调电流影响带来的积分误差。也避免了电容的漏电流带来的误差。但未获得稳定的高精度放大，对电阻和运放的精度要求较高。 三极管方法 三极管同样具有放大能力，但应用上多采用运放。电路如图 下面以实际的例子叙述整个实现过程。 尝试将一个0~5A信号转换为0~5V信号。最简单的是加一个1欧的电阻，但这样发热功率过大，所以需要采用电流互感器将原先的电流变小。按照一般互感器指标是输入0~10A信号，变比为200：1，即0~5A 的信号变为0~25mA。下面采用运放直接搭接的方法实现转换。考虑到相位的问题，对电路作了改进。利用50欧电阻在正端产生的电压与负端相等的条件，并利用运放的放大功能，实现最终要求的。如图。另外，用集成运放OP27为的是得到更高的运算精度；50欧的电阻是前端互感器带负载要求。 电路图和实物图相互转化 一、选择题 1．如下图的四个电路中与下边的图对应的是（） 2．如图7(a)所示的实物图．与图7(b)所示电路对应的是（） 3．如图所示的四个电路图中，与实物图对应的是（） 4．以下电路图中与图实物图一致的是（） 5．小轿车上大都装有一个指示灯，用它来提醒司机车门是否关好。四个车门中只要有一个车门没关好(相当于一个开关断开)，该指示灯就会发光。图为几位同学设计的模拟电路图，你认为最符合上述要求的是（） 6．家用电冰箱的用电部分主要是电动压缩机和照明灯泡。其中，电动压缩机M受温控开关S1的控制，照明灯泡L受门控开关S2的控制，要求它们既能单独工作又能同时工作。图中是几个同学设计的家用电冰箱的电路图，其中符合要求的是（） 7．某大门控制电路的两把钥匙分别由两名工作人员保管，单把钥匙无法打开。图的电路中最为可行的是（） 8．教室里投影仪的光源是强光灯泡，发光时必须用风扇给予降温。为了保证灯泡不被烧坏，要求：带动风扇的电动机启动后，灯泡才能发光；风扇不转，灯泡不能发光。则在如图所示的四个电路图中符合要求的是（） 9．为保证司乘人员的安全，轿车上设有安全带未系提示系统。当乘客坐在座椅上时，座椅下的开关S1闭合，若未系安全带，开关S2断开，仪表盘上的指示灯将亮起；当系上安全带时，开关S2闭合，指示灯熄灭。下列设计最合理的电路图是（） 10．楼道里，夜间只是偶尔有人经过，电灯总是亮着会浪费电能。科研人员利用光敏材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合，天亮时自动断开。利用声敏材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时，自动闭合，无人走动没有声音时，自动断开。若将这两个开关配合使用（如图），就可以使楼道灯变得“智能化”，这种“智能”电路正确的是:（） 11．如图所示，电冰箱内有一个通过冰箱门来控制的开关，当冰箱门打开时，开关闭合使冰箱内的照明灯点亮；当冰箱门关闭时，开关断开使冰箱内的照明灯熄灭。在图4的四个电路中，能正确表示冰箱开门状态下冰箱内照明电路的是:（） 功率P-FET控制器LTC4414 LTC4414是一种功率P-EFT控制器，主要用于控制电源的通、断及自动切换，也可用作高端功率开关。该器件主要特点：工作电压范围宽，为3.5～36V；电路简单，外围元器件少；静态电流小，典型值为30μA；能驱动大电流P沟道功率MOSFET；有电池反极性保护及外接P-MOSFET的栅极箝位保护；可采用微制器进行控制或采用手动控制；节省空间的8引脚MSOP封装；工作温-40℃+125℃。 图1 LTC4414的引脚排列引脚排列及功能 LTC4414的引脚排列如图1所示，各引脚功能如表1所示。 图2 LTC4414结构及外围器件框图 基本工作原理 这里通过内部结构框图及外接元器件组成的电源自动切换电路来说明其工作原理。内部结构框图及外围元器件组成的电路如图2所示。其内部结构是由放大器A1、电压/电流转换电路、电源选择器（可由VIN端或SENSE端给内部电路供电）、模拟控制器、比较器C1、基准电压源（0.5V）、线性栅极驱动器和栅极电压箝位保护电路、开漏输出FET及在CTL 内部有3.5μA的下拉电流源等组成。外围元器件有P沟道功率MOSFET、肖特基二极管D1、上拉电阻RPU、输入电容CIN及输出电容COUT。 图2中有两个可向负载供电的电源（主电源及辅电源），可以由主电源单独供电，也可以接上辅电源，根据主、辅电源的电压由LTC4414控制实现自动切换。这两种供电情况分别如下。 1 主电源单独供电 主电源单独供电时，电流从LTC4414的VIN端输入到电源选择器，给内部供电。放大器A1将VIN和VSENSE的差值电压放大，并经过电压/电流转换，输出与VIN－VSESNSE 之值成比例的电流输入到模拟控制器。当VIN－VSESNE>20mV时，模拟控制器通过线性栅极驱动器及箝位保护电路将GA TE端的电压降到地电平或到栅极箝位电压（保证-VGS≤8.5V），使外接P-MOSFET导通。与此同时，VSESNE被调节到VSESNE=VIN－20mV，即外接P-MOSFET的VDS=20mV。P-MOSFET的损耗为ILOAD×20mV。在P-MOSFET导通时，模拟控制器给内部FET的栅极送低电平，FET截止，STAT端呈高电平（表示P-MOSFET 导通）。 2 加上辅电源 当加上辅电源（如交流适配器）后，如果VSESNE> VIN+20mV，则内部电源选择器由SENSE端向内部电路供电。模拟控制器使GA TE端电压升高到VSENSE，则P-MOSFET截止，辅电源通过肖特基二极管D1向负载供电。这种电源切换是自动完成的。 在辅电源向负载供电时，模拟控制器给内部FET的栅极送高电平，FET导通，STAT端呈低电平（表示辅电源供电）。上拉电阻RPU的阻值要足够大，使流过FET的电流小于5mA。几种常见的电压电流转换电路
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