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電壓電流轉(zhuǎn)換器
電壓電流轉(zhuǎn)換器
將一個(gè)電壓源信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換為電流源
信號(hào)，在儀器儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇
到。有很多技術(shù)資料介紹了各種各樣的電壓電流
轉(zhuǎn)換器（V/I轉(zhuǎn)換器），各有特色。
對(duì)這種電路的基本要求是：
1） 輸出電流與輸入電壓成正比；
2） 輸出電流為恒流源。即當(dāng)負(fù)載電阻在規(guī)定范
圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電流保持不變，；
3） 輸出電流對(duì)電源變化、環(huán)境溫度等的變化不
敏感。
一般地，還要附加一個(gè)要求，即輸入電壓
與輸出電流共地。
一種典型的V/I變換器要求將0~5V輸入電基本精度壓線性地轉(zhuǎn)換為0~20mA電流源輸出，
在0.2%以內(nèi)；當(dāng)負(fù)載在0~300Ω變化時(shí)，輸出電
流變化應(yīng)在規(guī)定精度之內(nèi)。
筆者認(rèn)為圖1所示電路是最簡(jiǎn)單的一種。一般資料的介紹僅限于：設(shè)圖中電阻R1~R4相等，則輸出電流Iout=Vin/R5，即輸出電流正比于輸入電壓，與負(fù)載電阻（R6）大小無關(guān)。當(dāng)將此種電路用于批量化的產(chǎn)品時(shí)，由于元器件成本控制，電阻值不可避免的誤差及電路其他參數(shù)的影響，往往使電路實(shí)際精度下降。有的生產(chǎn)廠不得不選用其他較復(fù)雜的`電路。筆者介紹這種電路的實(shí)用化設(shè)計(jì)方法，供讀者參考。此種設(shè)計(jì)已用于批量產(chǎn)品中，有很好的性能價(jià)格比。
1 電路原理分析
圖1中，R6是負(fù)載電阻，允許在一定范圍內(nèi)變化。Iout是輸出電流。據(jù)電路基本定律，對(duì)R1、R2支路，由圖1可列出如下方程
V2*(1/R1+1/R2)=Vin/R1+V4/R2
這里，已令 α=R2/R1。
如果忽略運(yùn)放失調(diào)電壓，運(yùn)放正常工作時(shí)，其二輸入端電壓相等，對(duì)R3、R4支路，有 V2?V3*R3V3?
這里， β=R4/R3。
假定，R2＞＞R5，R2＞＞R6，即電阻R2對(duì)輸出電流Iout的分流作用可以忽略，對(duì)R5、R6支路，
V4?V3*R6V3*??
或 V3?V4*（1??）1 ?V4*（1?）??
這里， γ=R6/R5。
將（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?
對(duì)R6支路，有 Iout=V4/R6。
將（4）代入，進(jìn)一步推導(dǎo)，可得
Iout?Vin*R21??* R1*R51???（???）*R6/R5 （5） 這里，α=R2/R1，β=R4/R3，同時(shí)要求R2＞＞R5，R2＞＞R6。
當(dāng)α=β時(shí)，有 Iout?Vin*R2 R1*R5 (6)
這是一種電路簡(jiǎn)單同時(shí)又有較高精度的電壓（Vin）/電流（Iout）轉(zhuǎn)換器。其輸出電流Iout與負(fù)載大小無關(guān)。圖1是α=β=1時(shí)的特例。設(shè)Vin變化范圍是0～5V，要求輸出電流范圍是0～20mA。則可選R1= R3 =500kΩ，R2=R4=200 kΩ，R5=100Ω。運(yùn)算放大器可選LM358。
2 誤差分析
簡(jiǎn)單地將（6）式用于批量產(chǎn)品是不行的，至少對(duì)轉(zhuǎn)換精度不利。原因是批量生產(chǎn)很難保證條件α=β，即R2/R1=R4/R3成立。如果α≠β，對(duì)輸出精度有多大影響？
（5）式是通用表達(dá)式，可改寫為
Iout?Vin*R2*k R1*R5 （7）
這里， k?1?? 1???（???）*R6/R5 (8)
當(dāng)α=β時(shí)，有k=1。
一般情況，電壓電流轉(zhuǎn)換器僅僅是我們產(chǎn)品的一小部分。我們認(rèn)為，在產(chǎn)品中，輸出電流的零位及滿度值調(diào)整是不難的。問題是輸出電流能否真正作到恒流，即當(dāng)負(fù)載R6變化時(shí)，能否保證輸出電流偏差仍舊在設(shè)定精度之內(nèi)？負(fù)載R6的大小主要由用戶決定，是一個(gè)變數(shù)。
設(shè)β=α*(1+δ)，其中δ是一個(gè)正或負(fù)的小數(shù)。例如，δ=±0.05或δ=±0.01或δ=±0.005等。則（8）式可改寫為
k?1????? 1?????R6/R5R6??）* R51??一般，α≤1，δ＜＜1，故上式可近似簡(jiǎn)化為 k?1?（1?
對(duì)前述典型應(yīng)用：
Vin=0～5V，Iout=0～20mA。取α=200 kΩ/500kΩ=0.4，
R5=100Ω，R6在0～300Ω范
圍內(nèi)取值，則對(duì)不同的δ值，可計(jì)算出k—R6曲線。如以R6=250Ω時(shí)對(duì)應(yīng)的k值為1，則圖2所示為ki=k(R6)/k(250Ω)曲線組。其中，k1,k2,…k6
分別對(duì)應(yīng)δ參數(shù)值是0.05, －0.05, 0.01, －0.01, 0.005, －
0.005。
從諸曲線可見，k值最大偏差與δ值很接近。對(duì)某級(jí)別精度x的電阻，其δ值最大值
約為4x。舉例如下：設(shè)R2實(shí)際值是標(biāo)稱值R20的下限，其精度是x，則R2=R20（1-x）；設(shè)R1實(shí)際值是標(biāo)稱值R10的上限，其精度是x，則R2=R20（1+x）；類似，設(shè)R4=R20(1+x)，R3=R10(1-x)。α=R2/R1=R20(1+x)/R10(1-x) ≈R20/R10*(1+2x) ；類似，β=R4/R3≈R20/R10*(1-2x)。可見，δ=β/α-1=(1-2x)/(1+2x)-1≈1-4x-1=-4x。
按上述分析，R1～R4即使選0.5級(jí)精度的電阻，在批量生產(chǎn)電壓電流轉(zhuǎn)換器時(shí)，當(dāng)輸出負(fù)載有大的變化時(shí)，輸出電流的變化最差時(shí)可能達(dá)到4*0.5=2級(jí)，即輸出誤差可能達(dá)到2%。這對(duì)很多用戶而言，都是不允許的。
3 實(shí)用化設(shè)計(jì)
從（5）式可見，只要α=β，即R2/R1=R4/R3，則輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)。最簡(jiǎn)單的辦法是用電位器來調(diào)節(jié)其中一個(gè)電阻，使α=β。如圖3。
圖3實(shí)現(xiàn)Vin==0～5V到Iout=0～20mA的轉(zhuǎn)換器。調(diào)節(jié)W1，使條件R2/R1=R4/（R3+W1） 滿足，則輸出Iout將與負(fù)載
R6的大小無關(guān)。具體調(diào)試方
法可根據(jù)電路原理制定，不再
贅述。
正如前述，批量生產(chǎn)時(shí)
R1、R2、R5參數(shù)可能不標(biāo)準(zhǔn)，
由（7）式知，有可能使電壓
電流轉(zhuǎn)換器的傳輸比稍有偏
離。但此比值不難在其他電路
中得到修正。據(jù)此原理設(shè)計(jì)的
電路已成功用于產(chǎn)品，有很好
的性能價(jià)格比。 圖3
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