高精度电压电流变换器

 模拟电子技术基础  课程设计（论文）

题目：高精度电压电流变换器

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指导教师：                  （签字）

起止时间：2013.7.1—2013.7.12

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电子与信息工程学院                       教研室：电子信息与工程

摘要

本次课设为高精度电压电流变换器，电路设置多个运算放大器以及有关元件一起组成差动放大器。这个放大器的共模和差摸输入阻抗高达一定的欧数。如果运算放大器经过选配，好可以获得很低的温度漂移和很强的共模抑制能力。放大倍数在一定范围内连续可调。从复合管的发射极取出信号给前面的放大器以负反馈，不仅提高了输出电流的稳定性，而且抑制了共模信号对输出的影响。通过电压电流变换器可以实现电压0—10V转换4—20MA的电流。本电路采用了复合管结构能提供很大的负载电流，负载既可以接地，也可以浮动，也能带多个负载同时工作。该电路温漂小，有效高的共模抑制及电源抑制能力。

关键字：电压；电流；变换器；放大器

第一章　高精度电压电流变换器的方案论证

1.1 高精度电压电流变换器的设计意义

日常接触的电路摸拟信号输出时,一般是以电压输出。在以电压方式传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。高精度电压电流变换器成功的避免信号在传输过程中的衰减,使传输线路抗干扰性能提高,不易受外界干扰,信号传输更加稳定了。另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。V/I转换器就能把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输。V/I转换器可由晶体管等多种器件组成。其构造不是分复杂，却有效的达到了目的。

1.2 高精度电压电流变换器的设计要求和技术指标 

设计任务：

1. 现设计并制作能高精度电压电流变换器。

2. 设计电路所需的直流稳压电源。

3. 电压0—10V，电流4—20MA。

设计要求：

1 .明确设计要求和性能指标。仔细分析课题的要求、性能、指标和应用环境等，多构思几种方案，选择最适合的绘制结构框图。

2 .确定总体方案。对各种方案进行比较，根据电路的先进性、结构的简易程度、成本及制作的难易程度多个方面作比较，考虑器件的来源，选取最适合方案。

3 .设计各单元电路。将总体方案分解成几个单元电路，分别设计。

4.组成系统。按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，要标出必要的说明，方便观看。

1.3 总体设计方案

1.3.1 方案论证

方案一：

高精度电压电流变换器此方案的原理框图如下所示，输入所需电压，范围在0—10V之间，经过集成运算放大器的处理，调整处理匹配电路，近而转换输出所需的电流，其范围在4—20mA。

输入所需电压0—10V

集成运算放大器

调整处理匹配电路

输出所需电流

图1.1 高精度电压电流变换器方案一框图

方案二：

高精度电压电流变换器此方案的原理框图如下所示，输入稳压电源，即输入信号，经过基准电压使电压控制电流，得到可调电压，经过一系列调整转换出所需电流，其范围在4—20mA。

基准电压

输出电流

电压控制电流

稳压电源

可调电压

图1.2 高精度电压电流变换器方案二框图

1.3.2 总体设计方案框图

高精度电压电流变换器此方案的原理框图如下所示，输入所需电压，范围在0—10V之间，经过集成运算放大器的处理，调整处理匹配电路，近而转换输出所需的电流，其范围在4—20mA。

输出所需电流

集成运算放大器

输入所需电压0—10V

调整处理匹配电路

图１.3 高精度电压电流变换器总体设计方案框图

第二章 高精度电压电流变换器各单元电路设计

2.1 高精度电压电流变换器基本电路设计

如图2—1所示的是电压电流变换器电路，正端输入电压Up=Uo负端输入电压Uo=RsIl。根据正负输入端电压关系可得，Ra*I1=Uo

于是又 I1=Uo/Ra

若Uo为可控电压源，则电压电流变换器就是可控的电流源，若Uo为恒压源则此变换器就是恒流源，如果Rs用电感或放松放松法可以实现积分性质的或微分性质的电压电流变换。

图2.1 高精度电压电流变换器基本电路

2.2 直流稳压电源简易设计

电路如图2—2所示，当输入为220V交流电压时，首先通过变压器降放松放松交流电压。整流部分选用全波桥式整流电路，输出为10V左右的直流电压。之后此电路经过线性稳压电路其目的是在第一级稳压的基础上实现线性高精度稳压，降低纹波，提高电压调整率和负载调整率，最终达到题目的指标要求。原理图如2—4所示，在本电路中，首先输入电压在精密稳压源上产生的一个稳定的参考电压，接到由运放组成的比较电路的正端输入脚。输出电压经过电阻分压之后反馈至运放的负输入端。运放的输出电压控制达林顿管的发放松放松法得到所需的高度稳定的直流电压。

图2.2 直流稳压电源

图2.3 直流稳压电源

第三章 高精度电压电流变换器整体电路设计 

3.1整体电路及原理

本次课设设计的是高精度电压电流变换器，所以在总电路中只画出了电压电流变换器原理图，如图3—1.第一级是长尾式差动放大，双端输出，以抑制零漂，第二级也是差动放大，淡竭诚单端输出到末级管T5的基极，再从它的发射极反馈到T2管的基极，通过稳定T5的射极电压来稳定集电极电流（通过4—20mA电流表）。在强反馈的作用下，输入电阻得到了提高，输出电流比较稳定，电路元件参数改变所造成对读数的影响也大为消弱，从而使仪表的精度得到了保证。

运算放大器及周围元件组成了一个高精度压控双向电流。当VC=0时，运算放大器的输入也为零，达到平衡，其静态电流在RB上产生压降，给四个晶体管提供一定的偏置。的那个运算放大器的输入端出现差动信号时，其正负电源线上的两个电流就不相等，二者朝相反那方向变化，从而使复合管T1T2，T3T4的电流也超相反方向变化，两股电流的差值就是输出电流Io。

图3.１　整体电路

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3.2 参数的计算与选择

由于强反馈的存在，将使VI=VR2=VE5则为了要使V1=10V时IC5=20mA，RE5=10/20=0.5k欧=500欧。可选51欧的电位和500欧电阻串联。此元件必须精密稳定且具有很小的温度系数。

在无反馈时，即T2的基极接地，测得当△VI=1mA时，△IC5=4mA；而当接入负反馈后，△VI=10V时，△IC5=20 mA，故知负反馈使放大倍数损失了1000倍。同理，精度将在原来的基础上也提高1000倍。例如在无反馈时，由于温度变化和电路参数的改变使在△VI=1mv时△IC5由4mA下降到3.2mA，即下降了20%，则引入反馈后，在同样条件下，△I5将只下降0.02%。

还要指出，当VI=0时，我们让电流表让有一定的微弱电流，即，T8管并未完全截止。这样安排的理由是为了使反馈仍然起一定作用，保证有较好的线性关系。

3.3 （部分）电路仿真结果：

图3.2 部分电路仿真图(1)

图3.3 部分电路仿真图(2)

第四章 设计的总结

本次课设内容为高精度电压电流变换器，先设计一个直流稳压电源，再通过电压电流变换电路变成恒流源输出电流。经过了多次变换之后，达到目的，成功的设计出了高精度电压电流变换器。

电路由多个运算放大器和有关元件一起组成了差动放大器。通过电压电流变换器可以实现电压0—10V转换4—20MA的电流。这个放大器的共模和差摸输入阻抗高达一定的欧数。放大倍数在一定范围内连续可调。从复合管的发射极取出信号给前面的放大器以负反馈，不仅提高了输出电流的稳定性，而且抑制了共模信号对输出的影响。

此次电路采用了符合管结构，提供了很大的负载电流，通过电压电流变换器可以实现电压0—10V转换4—20MA的电流。负载即可以接地也可以浮动，也能带多个负载同时工作。

为了使输入输出获得良好的线性对应关系，设计时应该注意元件的选择，如输入电阻，可以选用精密电阻或精密电位器，如果采取上述元件，此转换电路最大非线性失真一般小于0.03%，转换精度符合要求。

参考文献

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[3]高平 主编 《电子设计制作完全指导》 化学工业出版社 2009.4

[4]杨帮文 主编 《新编一次集成电路实用手册》 机械工业出版社 2006.10

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[6]李新平 主编 《实用电子技术与仿真》 机械工业出版社 2003.8

[7]康光华 主编 《电子技术基础》 高等教育出版社 2006.1

[8]鲁宝春 王景利 刘毅 关纬国 主编 《电子技术基础实验》 东北大学出版社 2011.8  

[9] 李良荣 主编《EWB9电子设计技术》机械工业出版社 2007.8

[10] 黄智伟 主编 《全国大学生电子设计竞赛》北京航空航天大学出版社 2011.1

附录I 总体电路图

附录II 元器件清单