电压电流转换电路在线视频

大家好

这一节我们来学习信号转换电路的第二节

电压电流转换电路

本节的学习目标这个有两个

1. 能够理解V/I和I/V变换的原理

2. 能够分析V/I和I/V变换电路

首先我们思考一下为什么需要电压

和电流信号之间的相互转换

我们知道与电压信号相比

电流信号在传输过程中不容易受到

传输导线阻抗的影响

比如传感器输出信号为 5V

经远距离传输由于导线的阻抗影响

监控系统收到的信号可能只有 4V

因此

在远程监控系统中需要把测量信号

从电压信号转换成电流信号进行传输

在对电流信号进行数字测量的时候

再把电流信号转换为电压信号完成测量

首先，我们来学习一下 V/I 转换

也就是电压到电流的转换

如图所示，是同相比例放大电路

如果用 RL 取代反馈电阻

根据虚短虚断的概念

流过R的电流 i 大小为 ui/R

电流由运放提供

所以流过 RL 的电流也是

i与 ui 成正比

与负载 RL 大小无关

用运放提供电流可以实现 V/I 变换

但存在不足

就是最小负载电流受到运放

输入偏置电流 ib 的限制

最小负载电流不能太小

最大负载电流受到运放最大

输出电流的限制

且输出电压不能超过运放输出电压的范围

为了提高驱动能力

我们可以在输出端加晶体管

如右面电路将运放输出端和反馈回路

连在三极管的基极和发射极

这时如果 RL 的电流还是 ui/R

与 ui 成正比

但增加了驱动能力

对于这两个电路，电压从 0V 变化时

电流也是从 0 开始变化

无法满足电流 4-20mA 的工业标准

如图所示

这个电路是可以将电压转换为 4-20mA

标准电流的 V/I 转换电路

下面我们对这个 V/I

转换电路做一下分析

我们先看

运放反相输入电压 uN

因为叠加原理

当考虑只有 ui 作用时

因为 R₃ 远远大于 RL

可得到 uN₁ 的表达式

当考虑只有输出电流 io 作用时

相当于 ui 接地

得到 uN₂ 的表达式

由叠加原理

uN=uN₁+uN₂

最终可以得到 uN 的表达式

同样，由叠加原理

可以得到运放同相输入端

uP 它的表达式

下面

由虚短的概念

uN=uP

使 R₁=R₂，R₃=R₄

可以得到 io 的表达式

因为这个表达式

如果要求 ui 从 0~10V 变化时

输出电流从 0~10mA

那么可以设置 R₂=100KΩ

R₄=20KΩ，R₇=200Ω

Ub=0

如果要求 ui 在 0~10V 变化时

对应输出电流为 4~20mA

那么可以根据输出电阻和 io 的

表达式求出对应的 ub 的电压值

使输出电流 io 满足

4~20mA 的工业标准

前面，我们实现了电压到电流的转换

实现远程传输之后

还需要从电流转换为电压

进行进一步的处理

接下来我们就学习一下 I/V 变换

图中所示，为反向输入型转换电路

有一个电流源和运放构成

由虚断的概念

如果 R₁ 的电流 i 就是

电流源的电流 is

再由虚短 u-=u+=0

根据反馈回路的电压电流关系

可得到输出 uo=-is*R₁

当然

需要满足电流源 is

的内阻 Rs 很大

并且 is 要远远大于运放的偏置电流

如图所示

为同相输入型 I/V 转换

输入电流经 R₁ 变为输入电压

ui=i*R₁

加到运算放大器的同相输入端

其效果如右图所示

经过同相比例放大后

得到输出电压 uo

R₁、R₂、R₃的取值

根据电流输出器件

i 与 uo 的范围决定

应避免运算放大器的偏置

电流造成误差

这样，当 i 从 0-10mA 变化时

uo 从 0-10V 线性变化，完成了 I/V 变换

回到开始我们讲的远程监控系统

我们就可以利用 V/I 变换电路

将测量信号从电压

转换成电流

完成远距离传输之后

在数字测量端再将电流信号经 I/V变换

转换成电压信号进行处理

这样就避免了传输过程中传输线阻抗

对信号的影响

最后我们对本节的学习内容

做一个简单的总结

我们主要学习了电压电流转换电路

由运放和三极管构成的负载接地型

V/I 变换得到从 0 变化的

输出电流信号

然后学习了输出 4-20mA 标准电流

信号的 V/I 转换电路

之后，我们又学习到反相输入型和

同相输入型 I/V 转换电路

将电流转换成电压信号

这就是本节的学习内容

再见