一种简易电压电流转换器的实用化设计

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一种简易电压电流转换器的实用化设计

作者：power 来源：网络点击：日期：2007-09-03

一种简易电压电流转换器的实用化设计
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关键字: 0-5V,4-20mA,0-20mA,电流源,变送器

将一个电压源信号线性地转换为电流源信号,在仪器仪表及自动化系统设计中经常会遇到.有很多技术资料介绍了各种各样的电压电流转换器(V/I转换器),各有特色.
对这种电路的基本要求是:
1)输出电流与输入电压成正比;
2)输出电流为恒流源.即当负载电阻在规定范围内变化时,输出电流保持不变,;
3)输出电流对电源变化、环境温度等的变化不敏感.
一般地,还要附加一个要求,即输入电压与输出电流共地.
一种典型的V/I变换器要求将0~5V输入电压线性地转换为0~20mA电流源输出,基本精度在0.2%以内;当负载在0~300Ω变化时,输出电流变化应在规定精度之内.
笔者认为图1所示电路是最简单的一种.一般资料的介绍仅限于:设图中电阻R1~R4相等,则输出电流Iout=Vin/R5,即输出电流正比于输入电压,与负载电阻(R6)大小无关.当将此种电路用于批量化的产品时,由于元器件成本控制,电阻值不可避免的误差及电路其他参数的影响,往往使电路实际精度下降.有的生产厂不得不选用其他较复杂的电路.笔者介绍这种电路的实用化设计方法,供读者参考.此种设计已用于批量产品中,有很好的性能价格比.

1 电路原理分析
图1中,R6是负载电阻,允许在一定范围内变化.Iout是输出电流.据电路基本定律,对R1、R2支路,由图1可列出如下方程
V2*(1/R1+1/R2)=Vin/R1+V4/R2
或V4=V2*(1+R2/R1)-Vin*R2/R1=V2*(1+α) -Vin*α, (1)
这里,已令α=R2/R1.
如果忽略运放失调电压,运放正常工作时,其二输入端电压相等,对R3、R4支路,有
                  (2)
这里,β=R4/R3.
假定,R2>>R5,R2>>R6,即电阻R2对输出电流Iout的分流作用可以忽略,对R5、R6支路,
   (3)
或
这里,γ=R6/R5.
将(2)、(3)式代入(1)式,

解得,         (4)
对R6支路,有Iout=V4/R6.
将(4)代入,进一步推导,可得
(5)
这里,α=R2/R1,β=R4/R3,同时要求R2>>R5,R2>>R6.
当α=β时,有
(6)
这是一种电路简单同时又有较高精度的电压(Vin)/电流(Iout)转换器.其输出电流Iout与负载大小无关.图1是α=β=1时的特例.设Vin变化范围是0~5V,要求输出电流范围是0~20mA.则可选R1= R3 =500kΩ,R2=R4=200 kΩ,R5=100Ω.运算放大器可选LM358.
2 误差分析
简单地将(6)式用于批量产品是不行的,至少对转换精度不利.原因是批量生产很难保证条件α=β,即R2/R1=R4/R3成立.如果α≠β,对输出精度有多大影响?
(5)式是通用表达式,可改写为
*k   (7)
这里, (8)
当α=β时,有k=1.
一般情况,电压电流转换器仅仅是我们产品的一小部分.我们认为,在产品中,输出电流的零位及满度值调整是不难的.问题是输出电流能否真正作到恒流,即当负载R6变化时,能否保证输出电流偏差仍旧在设定精度之内?负载R6的大小主要由用户决定,是一个变数.
设β=α*(1+δ),其中δ是一个正或负的小数.例如,δ=±0.05或δ=±0.01或δ=±0.005等.则(8)式可改写为

一般,α≤1,δ<<1,故上式可近似简化为

对前述典型应用:Vin=0~5V,Iout=0~20mA.取α=200 kΩ/500kΩ=0.4,R5=100Ω,R6在0~300Ω范围内取值,则对不同的δ值,可计算出k—R6曲线.如以R6=250Ω时对应的k值为1,则图2所示为ki=k(R6)/k(250Ω)曲线组.其中,k1,k2,…k6分别对应δ参数值是0.05, -0.05, 0.01, -0.01, 0.005, -0.005.
从诸曲线可见,k值最大偏差与δ值很接近.对某级别精度x的电阻,其δ值最大值约为4x.举例如下:设R2实际值是标称值R20的下限,其精度是x,则R2=R20(1-x);设R1实际值是标称值R10的上限,其精度是x,则R2=R20(1+x);类似,设R4=R20(1+x),R3=R10(1-x).α=R2/R1=R20(1+x)/R10(1-x) ≈R20/R10*(1+2x) ;类似,β=R4/R3≈R20/R10*(1-2x).可见,δ=β/α-1=(1-2x)/(1+2x)-1≈1-4x-1=-4x.
按上述分析,R1~R4即使选0.5级精度的电阻,在批量生产电压电流转换器时,当输出负载有大的变化时,输出电流的变化最差时可能达到4*0.5=2级,即输出误差可能达到2%.这对很多用户而言,都是不允许的.
3 实用化设计
从(5)式可见,只要α=β,即R2/R1=R4/R3,则输出电流与负载大小无关.最简单的办法是用电位器来调节其中一个电阻,使α=β.如图3.
图3实现Vin==0~5V到Iout=0~20mA的转换器.调节W1,使条件R2/R1=R4/(R3+W1)
满足,则输出Iout将与负载R6的大小无关.具体调试方法可根据电路原理制定,不再赘述.
正如前述,批量生产时R1、R2、R5参数可能不标准,由(7)式知,有可能使电压电流转换器的传输比稍有偏离.但此比值不难在其他电路中得到修正.据此原理设计的电路已成功用于产品,有很好的性能价格比.

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