电压电流转换器

沐浅分享2017-03-05 07:41:24 次阅读

电压电流转换器

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输入电基本精度压线性地转换为0~20mA电流源输出，

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

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 V2?V3*R3V3?

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，

V4?V3*R6V3*??

或 V3?V4*（1??）1 ?V4*（1?）??

这里， γ=R6/R5。

将（2）、（3）式代入（1）式， V4?V3*（1??）V4*(1?1/?)*(1??)?Vin*???Vin*? 1??1??

Vin*? （1?1/?）*（1??）*（1??）?1(4) 解得， V4?

对R6支路，有 Iout=V4/R6。

将（4）代入，进一步推导，可得

Iout?Vin*R21??* R1*R51???（???）*R6/R5 （5）这里，α=R2/R1，β=R4/R3，同时要求R2＞＞R5，R2＞＞R6。

当α=β时，有 Iout?Vin*R2 R1*R5 (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

Iout?Vin*R2*k R1*R5 （7）

这里， k?1?? 1???（???）*R6/R5 (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

k?1????? 1?????R6/R5R6??）* R51??一般，α≤1，δ＜＜1，故上式可近似简化为 k?1?（1?

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