V-I变换电路与I-V变换电路设计报告

V-I变换电路与I-V变换

电路设计报告

组员：张迪 2009332205200004

李镇宇 2009221105200110

程剑 2009221105200041

一．设计任务及要求：

设计一个4－20ma 电流环。在工业控制系统中常常采用4－20毫安电流环作为传感器的输出信号，而我们常见的传感器输出信号是电压型的，试设计一个电路来实现如下要求：

基本要求：

1、 将0－5V 的模拟电压信号线性转变成4－20毫安的电流，即输入

0伏时输出4毫安，输入5V 时，输出20毫安。其间呈线性变化。精度达到3％。

2、 将传感器来的4-20mA 的电流，转换到0-5V 的电压信号，精度达

到3％

发挥部分：

1、

由于传感器输出的一般来说是毫伏级的电压信号，为了适应不同的传感器，请设计电路满足当输入信号在0毫伏到250毫伏变化时，输出电流在4毫安到20毫安线性变化，精度达到1％

二．设计思路和参数运算：

该系统由两部分组成：一是电压转电流；一是电流转电压。 电压转电流：

基于运算放大器的基本VI 变换电路可以保证负载电阻不影响电压电流的变换关系。在同相输入端与输出端加以电压跟随器，以实现共地输出的V/I 变换。其电路如图所示：

相应计算公式为：

由IC2为电压跟随器则：

由运算放大器“虚断”可知：

2

34

P O I P

U U U U R R --=

11

2

N

O U

U R R =

利用运算放大器的“虚短”概念可知:

Un=Up

在实际运用中可R1=R2=R3=R4=R，整理上两式，分别得：

因此有：

再利用运算放大器的“虚断”概念可知：流过负载电阻RL的电流IL与流过Re 电阻的电流相等。即有:

因此只要保证Re不变，可见负载电流与输入电压Ui成正比，就能实现了共地输出的VI变换。

该电路在实际使用过程中，由于一般运算放大器的输出能力有限，很难满足毫安级别以上的电压电流变换，只适用于微安级别以及微安一下的电压到电流的变换。因此需要对运算放大器进行扩流输出。我们在实际制作过程中在运放的后面加上三极管用来放大电流。

电流转电压：

同样的，我们采用运放来隔离该电路的输入电流和输出电压。

下面是电路原理图：

经对图中电路分析，可知流过反馈电阻Rf的电流为：

(Vo-VN)/Rf=VN/R1＋(VN-Vf)/R5

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。

三．原理图及仿真参数：

电压转电流：

42%电流转电压：

四．测试及误差分析：

电压转电流：

1.测试方法：

※首先断掉最上面的偏置，输入0V和5V，调节电位器R6使其输出分别为0mA和16mA。

※接上偏置，输入0V和5V，调节粗调电位器R10使其输出分别为4mA 和20mA

※调节电位器R10使输出变化过快，可能不能准确地使输出电流稳到预定值可调节电位器R8使其准确调节。

电流转电压：

1.测试方法：

※设置输入电流为20mA，调节电位器R9，使其电位器触头端电压为7.53V ，同时输出端电压为5V。若不是可以微调R9使其

输出为5V

※设置输入电流为4mA，再调节电位器R10使其输出电压为0V 即可。

整体测试：