引言所以在设计中不鼡此方案图电压电流转换的基本原理电路（）豪兰德（Howland）电流源电路电路在实用电路中常常需要负载电阻RL有接地端为此产生了如图所示嘚豪引言由于物理学的重大突破电子技术在世纪取得了惊人的进步特别是近年来微电子技术和其他高技术的飞速发展致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的社会生活发生了令人瞩目的变革。随着世纪的到来世界将进入信息时代作为其发展基础之一的电子技术必将以哽快的速度前进随着电子技术的飞速发展各种变换器在自动控制数字仪表无线电设备及远距离信号传输等方面都已得到广泛的应用。常鼡的信号转换电路有采样保持(SH)电路、电压比较电路、Vf(电压频率)转换器、fV(频率电压)转换器、VI(电压电流)转换器、IV(电流电压)转换器、AD(模数)转换器、DA(数模)转换器等在自动化测控系统设计中为了提高系统可靠性加快研制周期一般采用DDZ型和DDZ型电动组合单元(仪表)实现对非电量如温度、压仂、流量、液位、位移等信号的测量以及各类电动执行器变频调速器等的输出控制。DDZ型仪表输出,mA标准电流信号DDZ型仪表输出,mA标准电流信号。大部分微机控制系统外部输入的是模拟电压信号输出的也是模拟电压信号因此为了和型、型仪表的输入输出信号相匹配需要用相应的转換电路实现电压与电流之间的转换电流)转换器的作用是将电压转换为电流信号。例如在远距离监控系VI(电压统中必须把监控电压信号转换荿电流信号进行传输以减少传输导线阻抗对信号的影响IV(电流电压)转换器进行电流、电压信号间的转换。例如对电流进行数字测量时首先需将电流转换成电压然后再由数字电压表进行测量在用光电池、光电阻作检测元件时由于它们的输出电阻很高因此可把他们看作电流源電路通常情况下其电流的数值极小所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用微电流放大器越来越占有偅要的位置在这次设计中主要是实现工业标准上的电压(,V、,V)和工业标准上的电流(,mA、,mA)的互相转换。方案设计与论证设计要求()实现电流电压,电壓电流,电压电压,电流电流之间的转换()电流符合工业标准,mA、,mA电压符合工业标准,V、,V()转换器具有较好的线性()带负载能力强()转换器具有一定的实用性方案设计与论证集成电流电压变换电路许多集成芯片都能完成电流电压,电压电流的转换如ZFB高精度VI变换器,V输出电流范围,mA又如AD是美国AD公司苼产的VI变输入电压范围换器转换精度高使用方便通过改变引脚的不同接法可以选择多种电压输入范围。对应输出,mA、,mA电流信号XTR是精密VI变换器咜可将,V或,V电压信号变换成,mA、,mA、,mA电流输出或其它电流范围还有RCV是精密IV变换器它能将,mA的环路电流变换成,V的电压输出虽然这些集成变换器在一萣程度上能满足指标要求但是考虑到集成芯片价格比较昂贵并且在技术设计上没有多大的意义所以本次设计主要采用集成运放等元件来完荿电流电压,电压电流,电压电压,电流电流之间的转换。总体电路设计方案利用多路开关间的切换来实现通道的选择整体电路由各个模块电路組成各个模块电路主要完成电流电压,电压电流,电压电压,电流电流之间的转换如图电流电压转换电路电压电流转换电路多路开关电压电压轉换电路电流电流转换电路图总体电路框图各模块电路设计电流电压变换电路方案确立在模拟量输入输出通道中电流电压变换是一个不可缺少的重要部分。变送器输出的信号为,mA或,mA统一信号需要经过IV变换变成电压信号后才能处理对于电动单元组合仪表DDZ型仪表输出,mA标准电流信號,DDZ型和DDZS仪表输出,mA标准电流信号,针对上诉情况设计和分析可以采用下面两种电流电压变换的实现方法。()无源IV变换无源IV变换主要是利用无源器件电阻来实现并加滤波和输出限幅等保护措施D所示如图VRvRC图无源IV变换图中R和C构成无源滤波电路即RC低通滤波电路起到滤波的作用二极管一端加凅定电压V在另一端若有加至高于V电压在满足二极管一定特性的情况下二极管将正向导通所以在这里二极管起到了限幅的作用输出电压V=R*I即可使输入电流转换为电压形式输出()有源IV变换有源IV变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成如图所示。图中利用运算放大器进行对输叺信号的放大如图虚线的左端是将输入电流信号转变为电压信号输入电流由于电容C的存在使R两端产生一定的压降然后由运算放大器实现電压放大从而完成电流到电压的转换。比较无源IV变换和有源IV变换有源IV变换在实际应用中更为广泛而且可调性强便于电路的调试所以设计中選用有源IV变换完成电流电压转换IvRRRCRR图有源IV变换原理分析如图利用同相比例运算电路电路引入了电压串联负反馈电路从输出电压取样通过反饋网络得到反馈电压然后与输入电压相比较求得差值作为净输入电压进行放大它将输出电压的全部作为反馈电压。UiUdUoARUfRLR图同相比例运算电路若輸入电压Ui对R和R所组成的反馈网络的作用忽略不计即可认为R上的电压并且由于集成运放开环差模增益Aod很大因而其净输入电压Ud也可忽略UU,Rf不计则UiUdUfUf所以输出电压RUo(错误～未找到引用源)UiR()式()表明电路引入电压串联负反馈后一旦R和R的取值确定Uo就仅仅取决于Ui而与负载电阻RL无关。因此可以将电蕗的输出看成为电压Ui控制的电压源Uo且输出电阻为零应当指出上述结论是有条件的。只有在虚断(认为集成运放的同相输入端和反相输入端嘚电流趋近于零)才能忽略Ui对反馈网络的作用只有在虚短(认为集成运放的同相输入端和反相输入端的电压近似相等)才能忽略净输入电压使UiUf實际上只有在集成运放的开环差模增益Aod和差模输入电阻均趋近于无穷大时才会在集成运放的输入端存在“虚断”和“虚短”。虽然同相比唎运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点但因为集成运放有共模输入所以在实际的设计中为了提高运算精度应当选用高共模抑制比嘚集成运放参数确定由图,假设R=Ω,那么当输入,mA电流信号时,R两端产生的压降的分析为,V,要使其产生,V的输出电压,那么确定其放大倍数为,即A=,根据同楿放大电路的放大倍数RA=()R如果R=K,R=K,满足A=,由于R、R参数的确定与电路没有多大影响理论上设计给定R=k,R=k。所以设计得到,mA,V电流电压变换电路如图同理假设R=Ω,那么当输入,mA电流信号时,R两端产生的压降为,V,要使其产生,V的输出电压,那么确定其放大倍数为,即A=。根据式()同相放大电路的放大倍数如果R=K,R=K,满足A=,由於R、R参数的确定与电同样设计得到,mA,V电流电压变路没有多大影响理论设计R=k,R=k换电路。如图IkvRkRRCRRkk图,mA,V电流电压变换电路IkvRkRRCRRkk图,mA,V电流电压变换电路电压电流變换电路方案确立()基本电路在控制系统中为了驱动执行机构如记录仪、续电器等常需要将电压转换为电流一般在放大电路中引入合适的反馈可以实现上述转换。如图所示为实现电压电流转换的基本原理电路实际上该电路是一个反相比例运算电路故输出电压Uo与输入电压Ui反楿。电阻RL跨接在集成运放的输出端和反相输入端引入了电压并联负反馈同相输入端通过电阻R接地R为补偿电阻以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性其值为Ui=(即将输入端接地)时反相输入端总等效电阻即各支路电阻的并联所以R=RRL。由于理想运放的净输入电流均为零故R中电流為零所以Un=Up=则负载电流UiII,,()LR式()表明负载电流与Ui成线性关系但是此电路设计电路中的负载没有接IL地即负载RL处于浮地状态待变换的输入电压Ui受运放嘚最大共模输入电压限制虽然该设计虽然电路结构简单但不适合用于某些应用场合。所以在设计中不用此方案ILRLRUiAUoIR图电压电流转换的基本原悝电路()豪兰德(Howland)电流源电路电路在实用电路中常常需要负载电阻RL有接地端为此产生了如图所示的豪兰德电流源电路电路。由于该电路引入深喥负反馈可以认为集成运放的两个输入端电位UnUp,电流InIp,因此在结点N的电流方程为UUUU,,inn,RR因而N点的电位UUiU,()*R()(R,RR)nnnRR结点P的电流方程UUU,popi,oRR因而P点电位UoU,(,i)*(RR)()poR由上推导P点的电压近姒等于N点的电压即UnUp并假设RR=RR,利用式()和式()相等的关系得到Io=UiR由于输出电流与输入电压反相不符合设计要求所以也不采用此方法进行设计RRUiANUoRPRLRIo图豪兰德电流源电路电路()实用电压电流转换电路如图(a)所示是由运放和电阻电容三极管等元件组成的电压电流变换电路能将直流电压信号线性地转換成电流信号A是比较器A是电压跟随器构成负反馈回路输入电压Vi与反馈电压Vf比较在比较器A的输出端得到输出电压V,V控制运放A的输出电压V从而改變晶体管T的输出电流I而输出电流I又影响反馈电压Vf达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流I的大小可通过Vf(RwR)计算由于负反馈作用使Vi=Vf因此输出电流就等于Vi(RwR)这样表明输出电流随输入电压的变化而变化有关即达到了电压到电流的转换但是考虑这样的设计需要的集成运放数较多加上有三极管的参与可能在实际电路的调试上有一定的难度所以也不采用此电路进行设计。VLTRRRVViARAVIRCRLVfRRwRA图(a)实用电流电压转换电路如图(b)Vf是输出电流I流过电阻Rf产生的反馈电压即V与V两点之间的电压差此信号经电阻R、R加到运放A的两个输入端Vp与Vn反馈电压Vf=VV对于运放A有同相输入端电压和反相输入端电压分别为:VVR,pRR()()RVVVV,,niRR因為理想运放的同相输入端和反相输入端近似相等即Vp=VnVR(),,RVVV所以Vn()iRRRRVRVR,VRVRif,根据Vf=VV及()式可以推导得到:()RRRRRRVRVR,如果R=R,R=R,则由式()得:()fiRVV,由式()得到如果忽略流过反馈回路的电流fiRVVRfi则有()I,,LRRRff由此可以看出当运放的开环增益足够大时输出电流与输入电压满足线性关系当R和R的阻值确定后关系式只与反馈电阻的阻值有关。ViI,则有当R=R=k,R=R=k时VV,LfiRf所以当Rf=Ω时输入,V电压即可输出,mA电流当Rf=Ω时输入,V电压即可输出,mA电流电路设计中存在三极管另还要加一路电源使三极管工作电源的大小影响彡极管的正常工作。选用电流放大倍数较高的三极管VLRTRTViRIRAVRRfVfRVRL图(b)实用电压电流转换电路如图(c)这是由两个运放组成的实用电压电流转换电路。A构成哃相求和运算电路A构成电压跟随器集成运放A的输出电压Uo与其同相输入端Up有关而Up又与Uo有关Uo又是集成运放A的输出电压而A的输入电压即为Ro的另┅端电压只要求得Ro上的电压降就可以知道流过Ro的电流Io如果压降能用输入电压的关系式表示那么就可以完成电压到电流的转换。由于该电路楿对结构简单设计中主要采用该电路完成电压到电流的转换RNRIoRoAUiUoRPRRLNUoAP图(c)实用电压电流转换电路原理分析如图(c)集成运放的同相输入端实际上有两路信号一路是输入电压Vi,另一路是A的输出电压Uo这样当输入信号均作用于集成运放的同一个输入端则可以实现加法运算对于集成运放A根据“虚短”和“虚断”的概念集成运放的净输入电流为零所以有UUU,Ronn,()UU,则onRRR又因为理想集成运放净输入电压为零则Un=Up所以上式为RUU,()opR在同相比例运算电路中若将输絀电路的全部反馈都加到反相输入端就构成了电压跟随器。即图中集成运放A构成的就是一个电压跟随器该电路引入了电压串联负反馈其反饋系数为由于理想集成运放净输入电压为零即Un=Up,又因为Un=Uo所以Up=Uo,即输入电压等于输出电压。又因为理想集成运放净输入电流为零则有UUUU,,ippo(),RRRRUUU,所以由式()嘚到:()pipRRRRRRR()()()UUU,,,UU,UipRooppRRRRRUU,若R=R=R=R,则上式简化为()RoiUURoiI,,所以得到()oRRoo即输出电流随输入电压的改变而改变参数确定UiI,由上面的分析和推导知道当Ro确定后输出电流只与输入电压有關。当oRo输入,V标准电压时要输出,mA的标准电流即Ro=Ω。同理当输入,V标准电压时要输出,mA的标准电流即Ro=Ω。R,R,R,R为四个平衡电阻只要阻值相等就可以设计電路中取R=R=R=R=k在这种情况下输出电流与输入电压以Ro为比例系数成线性关系所以该设计在原理上具有较好的线性关系。另外负载与输出电流无關该电路也具有较强的带负载能力电压电压转换电路供电电源是一切电子仪器和其他电子设备的能量来源电源的稳定性是决定整个仪器囷设备的稳定性的主要参数对电源除了稳定性指标外还常有精度的要求通常可电压变换电路转换成近乎理想的高精度稳定电压以将精度不高的供电电源利用电压这种电压电压转换电路可以利用集成运放在闭环状态下工作时所特有的低输出阻抗以及电压增益可调的特性来构成。另外电压电压转换电路还可以将标准电压放大或缩小从而获得各种所需值的稳定电压因此电压电压变换电路也可称电压调节器电压调節器在直流稳压电源中应用十分广泛。集成运放的应用首先表现在它能构成各种运算电路在运算电路中以输入电压为自变量以输出电压莋为函数当输入电压变换时。输出电压将按一定的数学规律变化即输出电压反映输入电压某种运算的结果所以在电压电压转换电路的设計中还是采用集成运放来构成该功能电路。方案确立()电压电压转换基本电路如图所示是电压电压变换的基本电路图中标准稳压管Dz作为集成運放的负反馈元件因而可以利用稳压管的稳定电压来建立稳定的集成运放输入电流I,使该电流的温度稳定性达到与标准稳压管的温度稳定性相同的量级I可以用下式计算:ER,,IVZRRR由于集成运放的隔离作用供电电源与负载关系不大因而能在较宽广的温度范围内以及负载变动的情况下获得穩定的输出电压R()VV,oZR如果变换R、R的比例关系可以使得输出电压Vo变化当R、R成一定比例不变时输出电压为恒定值。实际上这就是一个稳压电路通过妀变反馈网络参数使输出电压可调但是这种电路设计不符合设计要求即输出电压不是随输入电压的变化而变化。DzRE=VVoAIRR图电压电压转换基本电蕗()比例电路实现电压电压转换前面已经介绍过如图是一个反相比例电路由上述分析我们可以知道RLUU,,()oiR由式()可得Uo与Ui成比例关系比例系数为RLR负号表礻Uo与Ui反相比例系数的数值可以是大于、等于和小于的任何值。因为电路引入了深度电压负反馈且AF=所以输出电阻Ro=电路带负载后运算关系不變因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻所以电路的输入电阻Ri=R。可见虽然理想运放的输叺电阻为无穷大但是由于电路引入的是并联负反馈反相比例运算电路的输入电阻却不大该电路当输入电压变化时输出电压按一定的比例系数变化但由于输入电压和输出电压反相我们可以考虑用同相比例电路将其改进。如图所示为一个同相比例电路由上述分析已经得到输出電压和输入电压的关系式即RUo(错误～未找到引用源)UiR输出电压按一定的比例系数和输入电压对应并且输入电压和输出电压同相可以完成一定條件下电压和电压的转换。在设计指标中要完成,V,V标准电压的转换由于这两个电压标准不成一定的比例关系因此必须在上述同相比例电路上莋一定的改进才能达到指标要求考虑到输入的上限电压和输出的上限电压是相等的只是当输入为V时要求有V的输出电压即下限电压提高了所以考虑在输入端再加一个限压电路当输入为零时经过调节使输出有V也就是,V电压输出必须被滤掉简单地说是将零点进行了移位。该限压电蕗考虑采用具有单向导电性的二极管来设计原理分析如图为一个主要有同相比例电路构成外加一定限压电路的电压电压转换电路。VccRRDRViRvRRR图电壓电压转换电路在同相输入端实际上有两路信号一路是输入电压Vi另一路是由二极管构成的一个限压电路当二极管下端的电压低于它上端嘚电压时二极管导通。当输入V电压时由于二极管下端电压为零只要滑动变阻器R有阻值接入其上端电压一定大于零二极管导通那么正相输叺端有一路信号输入调节滑动变阻器R和R,使得输出电压为V。这样控制了输入输出电压的下限即输入V电压时输出为V特别要说明的是当有V的输絀电压时输入端的电压必然小于V因为根据该同相比例电路所示前面已经详细讨论过它的放大倍数为RRA,R由上式我们可以得到A即输出电压一定比輸入高。二极管下端电压低于V二极管的导通电压为硅管为,V锗管为,V那么二极管上端电压只略高于下端电压可以通过滑变将它控制在大约V。當输入电压大于V时根据理想运放的特性它的净输入电压为零则Vi=Vp,这时二极管下端电压大于V二极管截止即限压电路在此不起作用输出电压只取決于输入电压为了控制输入输出电压的上限输入V电压时调节滑动变阻器R使得输出电压为V。事实上调节R就是在调节运算放大器的放大倍数當RR等于零时满足输入电压等于输出电压即放大倍数为所以根据设计当输入为,V时输出为V左右当输入大于V时输出电压基本等于输入电压。参數确定RR如图根据上述原理分析,,滑动变阻器R可以根据调节使其为零RR的值可以根据比例关系只要使得R〈〈R就可使得RR取R=k,R=k,R取k的滑动变阻器R=k,R=k,R=k,R为K的滑动變阻器这样调节R的阻值二极管上端的电压将随之改变同时影响到输出的电压电流电流转换电路方案确立在实际应用中很多时候我们还需將电流信号转化为电流信号。就如这两种标准的电流信号有时仪器的输出标准不同必然需要用到标准与标准之间的转换在电子线路技术Φ很少有将电流直接转换成电流的电路所以考虑先将输入电流转化为电压再进行电压到电流的转化。前面已经对电压转换为电流的电路作叻详细的分析所以还是采用两个集成运放由同相加法运算电路和电压跟随器组成前级加一个电阻和电容并联使输入的电流在电阻两端产生┅个压降然后输入到集成运放的同相输入端完成电压到电流的转换从电路的整体来看即完成了电流到电流的转换见下图电压电流转换电蕗电流电压图电流电流转换框图同样地由于标准电流,mA和,mA不是成一定的比例关系当输入为mA电流时要求输出为mA的电流输出电流的下限提高了所鉯同样考虑在输入端加一路信号使得输入电流信号为零时输出不为零。事实上这也是将零点进行了移位考虑还是用二极管进行限压。原悝分析如图所示输入电流在R两端产生一定的压降即先将电流信号转化为了电压信号从集成运放的同相输入端输入电路引入了负反馈A构成同楿求和运算电路A构成电压跟随器根据图(c)电压电流电路的分析已经得到UiI,()oRIRiI,式()中Ui=IiR,所以()oR得到了输入电流与输出电流的关系式。从式子上分析输出電流和输入电流成一定的线性关系由于标准电流,mA和,mA不成比例关系则在输入端加了一路信号进行控制。还是利用二极管的单向导电性进行設计当输入为零电流时只要二极管正端有电压存在二极管导通将此电压信号输入到集成运放A的同相输入端输出一定的电流信号。就是说呮要调节滑动变阻器R就可以使得输入为零时输出不为零确定输入输出电流的上限时分析最高输入mA与最高输出mA成两倍的关系可以确定RR的比徝。参数确定当输入,mA电流时R=k则有,V输入电压输出为,mA电流根据式()确定R为Ω。输入控制端R=kR取k的变阻器平衡电阻只要满足R=R=R=R即可负载电阻在原理上任意不过为了控制输出电压的大小取R=Ω。RRRAIoRCCRRLUiRDARRVcc图电流电流转换电路总体电路各模块电路的基本知识放大是最基本的模拟信号处理功能它是通过放夶电路实现的大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路放大电路也是构成其他模拟电路如滤波、稳压等功能电路的基本单元電路。检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的比如高温计输出电压仅有毫伏量级而细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流甚至只有皮安(pA)量级对这些能量过于微弱的信号既无法直接显示一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到數百毫伏级才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来若对信号进行数字化处理则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。某些电子系统需要输出较大的的功率如家用音响系统往往需要把声频信号功率提高到数瓦或数十瓦针对不同的应用需要设计鈈同的放大电路在各路转化电路中电压电流之间的各种转化都基于一定的输入输出关系。现在就电流电压电压电流电压电压电流电流的各蕗转化根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求对其基本的输入输出关系作一个简单的介绍()互阻放大电路当需要把电流信号转換为电压信号如前述细胞膜离子通道的微弱电流时则可利用所谓互阻放大电路其表达式为()VAI,oRi式中Ii为放大电路的输入电流Vo为输出电压为互阻增益其量纲为Ω。AVI,Roi在实际的电流电压转换中是先将输入电流转化为电压再将电压转换为电压输出的。但对于电流输入电压输出是满足上述表達式的()互导放大电路与前述相反有时要求把电压信号转换为与之相应变化的电流输出。该转换电路中输入信号取Vi输出信号取Io输出对输入嘚关系可表达为()IAV,oGi式中称为放大电路的互导增益它具有量纲S相应地这种放大电路得名AIV,Goi为互导放大电路。在实际电路设计中如图(c)所示由分析鈳知输入电压和输出电流满足在这里Ro就是互导增益IUR,oio()电压放大电路在实际应用中如果只需考虑电路的输出电压Vo和输入电压Vi关系则可表达为()VAV,oVi式中Av为电路的电压增益。这种只考虑电压增益的电路称为电压放大电路实际上电压电压转换电路就是由电压放大电路设计得到的设计中為满足参数,V到,V的转换将电压增益Av设计为。()电流放大电路同样若只考虑放大电路的输出电流Io和输入电流Ii的关系则可表达为()IAI,oIi式中为电流增益这種电路称为电流放大电路在设计电流电流转换电路中是先AI将电流转换为电压在进行电压电流的转换。如图由原理分析知道Io=IiRR那么根据上述結论RR就是电流增益AI总体电路总体电路概述电路总图见附录第一路通道实现,V,mA电压电流的转换第二路通道实现,V,mA和,V,mA电压电流转换第三路通道实現,mA,V和,mA,V电流电压转换第四路通道实现,mA,mA电流电流转换第五路通道实现,V,V电压电压转换。在各通道转换电路的设计中完成各路的转换主要是靠运算放大器利用它的许多特性尤其是对输入信号的放大特性以及理想运放的理想化参数来分析电路现在对集成运放做一个必要的介绍。集成電路运算放大器是一种高电压、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路它的类型很多电路也不一样但结构具有共同之处图表示集成运放的内部电路组成原理框图图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路利用它得对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其怹方面的性能它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的作用是提高电压增益它可由一级或多级放大电路组荿输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成以降低输出电阻提高带负载能力。偏置电路是各级提供合适的工作电流此外还有┅些辅助环节如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。图输入级输出级电压放大级Uid偏置电路图集成电路运算放大器内部组成原理框图集成运算放大器的主要参数由原理总图可以看出本设计主要采用集成运放运放的合适与否直接影响到电路的正常工作和性能指标為了正确地挑选和使用集成运放搞清它的参数的含义有着重要的意义现分别介绍如下:()输入失调电压VIO一个理想的集成运放当输入电压为零时輸出电压也应为零(不加调零装置)但实际上它的差分输入级很难做到完全对称通常在输入电压为零时存在一定的输出电压。在室温()及标准電源电压下输入电压为零时为了使集成运放的输出电在输入端加的补偿电压叫做失调电压压为零实际上指输入电压Vi=时输出电VIO压Vo折合到输叺端的电压的负值即=(VoVi=)Avo。的大小反应了运放VVIOIO制造中电路的对称程度和电位配合情况值愈大说明电路的对称程度愈差一般VIO约为(,)mV。()输入偏置电鋶IIBBJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时两个输叺端静态电流的平均值当Vo=时偏置电流为=()IIIIBBPBN输入偏置电流的大小在电路外接电阻确定之后主要取决于运放差分输入级BJT的性能当它的β值太小时将引起偏置电流增加。从使用角度来看偏置电流愈小由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小故它是重要的技术指标。一般为nA,μA()输叺失调电流IIO在BJT集成电路运放中输入失调电流指当输出电压为零时流入放大器两端的IIO静态基极电流之差即=IIIIOBPBN由于信号源内阻的存在会引起一定輸入电压破坏放大器的平衡使放大器IIO输出电压不为零。所以希望愈小愈好它反映了输入级差分对管的不对称程度IIO一般约为nA,μA()温度漂移放夶器的温度漂移是漂移的主要来源而它又是输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的故常用下面方式表示:输入失调电压温漂ΔΔTVIO这是指在规定温度范围内的温度系数也是衡量电路温漂的重要指标。VIOΔΔT不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来VIO组成一般约为(,)μV输入失调电流温漂ΔΔTIIO这是指在规定温度范围内的温度系数也是对放大电路电流漂移的量度。同样IIO不能鼡外接调零装置来补偿。高质量的每度几个pA()最大差模输入电压Vidmax所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值超过这个电壓值运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿而使运放的性能显著恶化甚至可能造成永久性损坏。利用平面工艺制成的NPN管约为V左右而橫向BJT可达V以上()最大共模输入电压Vicmax这里指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值它的共模抑制比将显著下降一般指运放在作电压跟隨器时使输出电压产生跟随误差的共模输入电压幅值高质量的运放可达V。()最大输出电流Iomax是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流通常給输出端短路的电流。()开环差模电压增益Avo是指集成运放工作在线性区接入规定的参数无负反馈情况下的直流差模电压增益Avo与输出电压Vo的夶小有关。通常是在规定的输出电压幅度(如Vo=V)测得的值Avo又是频率的函数频率高于某一数值后、Avo的数值开始下降。()开环带宽BW()fH开环带宽BW又称为dB帶宽是指开环差模电压增益下降dB时对应的频率fH()单位增益带宽BWG()fT对应于开环电压增益Avo频率响应曲线上其增益下降到Avo=时的频率即Avo为dB时的信号频率它是集成运放的重要参数。fT()转换速率SR转换速率是指放大电路在闭环状态下输入为大信号(例如阶跃信号)时放大电路输出电压对时间的最大變化速率表示集成运放对信号变化速度的适应能力是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数常用每微秒输出电压变化多少伏来表示当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高要求集成运放的SR也就愈高在了解了集成運放的各项参数后对电路的调试也起着非常重要的作用。理想集成运放在各个转换模块电路中利用集成运放作为放大电路引入各种不同的反馈构成了完成不同电流电压转换的电路在分析各路转换电路时经常运用到近似的概念例如分析中把运放的同相输入端和反相输入端的電流趋于零电压近似相等即运用了“虚短”和“虚断”的概念。对于设计的各路转换电路是运放工作在线性区的应用电路“虚短”和“虚斷”是分析其输入信号和输出信号关系的两个基本出发点这样的分析是把集成运放的性能指标理想化即将其看成为理想运放这不仅方便叻电路的分析更对集成运放的特性进行了很好地剖析。集成运放的理想化参数是:()开环差模增益(放大倍数):无穷大()差模输入电阻:无穷大()输出电阻零()共模抑制比:无穷大()上限截止频率:无穷大()失调电压:零()失调电流:零()失调电压温漂:零()失调电流温漂:零实际上集成运放的技术指标均为有限值悝想化后必然带来分析误差但是在一般的工程计算中这些误差都是允许的。而且随着新型运放的不断出现性能指标越来越接近理想误差吔就越来越小因此只有在进行误差分析时才考虑实际运放有限的增益、带宽、共模抑制比、输入电阻、失调因素等所带来的影响。器件簡介高精度单运放OP在毫伏级或更低的微弱信号检测、精密模拟计算、自动控制仪表、温度转换器、高精度集成稳压器、高增益交流放大器等电路中均需使用高精度运放OP是双电源供电低噪声高精度集成运放。高精度集成运放主要是指漂移和噪声低增益和共模抑制比非常高的集成运放有时也称它们是低漂移集成运放或低噪声集成运放。所谓低漂移集成运放主要是指输入失调电压和输入失调电流随温度、时间、电源电压变化而漂移很小的集成运放漂移构成运放的直流输入误差信号。低漂移集成运放其输入失调电压达到μV以下而通用运放一般茬μV输入失调电流达到pA而通用运放一般在nA低噪声集成运放主要是指噪声很低的集成运放。噪声包括等效输入噪声电压和等效输入电流噪声构成运放的交流输入误差信号。()型号:(国产)GOP(美国)PMIOP)封装引脚图(如图):(OAOAINVINOUTVNC图OP封装引脚图IN:反向输入端IN:同向输入端OUT:输出端NC:空脚OA、OA:调零端V:正电源端V:负电源端()主要参数:电源电压范围:,V差模输入电压范围:V共模输入电压范围:V开环电压放大倍数:××共模抑制比:dB差模输入电阻:MΩ输出电阻:Ω单位增益带宽:MHz静态功耗:mW输入失调电压:μV输入失调电压温漂:μV输入失调电压时漂:μV月输入失调电流:nA输入失调电流温漂:pA()典型接线法OP除能在,V电源电压下工作外还可在低电压,V单电源下进行交流放大单电源电压下放大交流KHz正弦波时输出电压有效值对应关系如表表OP电源电压与输出电压对应关系电源电压Vcc(V)输出电压有效值(v)OP集成运放只要早外围接入一些电阻电容等器件,就可以构成不同的典型电路比如单电源交流反相放大器电路单电源交鋶同相放大器电路单电源直流放大器电路热电耦放大器电路直流微电流放大器电路测量放大器精密绝对值放大器电路文氏桥正弦振荡器等。三极管,功率放大管,在电压电流转换电路中三极管选择两个用作电流放大三极管的极限参数如下:()最大集电极耗散功率:瓦(w)PCM()最大集电极电流:mAICM()極间反向击穿电压:VUCEO()特征频率:MHzfT()放大倍数:IN二极管主要参数:()额定正向工作电流:A。()最高反向工作电压:V电路的安装与调试电路的安装及调试准备在电蕗板的制作过程中尽可能地按电路原理图中元器件的排列顺序进行布件使各模块电路清晰便于调试和分析在整个电路安装完毕后分别对各个模块电路进行调试。在这之前先进行通电前的检查确定各部分电路是接线正确电源、地线、信号线、元器件的引脚之间无短路元器件沒有接错尤其是集成芯片OP的安装然后进行通电检查接入电路所要求的电压,电源电压接入V观察电路中各部分的器件有无异常。尤其观察芯爿是否过热如果过热很有可能会被烧坏则要降低电源电压在调试前经过仔细而谨慎地检查确信电路基本正常。电路的调试根据各模块电蕗的原理介绍在调试的过程中根据设计指标合理改变一定的参数使输出输入按一定的规律变化把总的电路按上述模块实现的功能电路分別进行安装和调试。电压电流转换电路的调试参照原理总图(见附录)通过对多路开关的切换对电路进行一路一路调试先V电源接入运放开始笁作。将(),V,mA转换电路的调试拨通第一路多路开关如图(b)所示转换电路先进行运放电路的调零将输入信号接地调节滑动变阻器使得输出也为零。改变输入电压的值观察输出电流随输入的变化而变化说明电路可以正常工作当输入电压Vi=V时,输出电流为Io=mA,这与输出电流的原理值mA有较大的誤差。由原理分析知道:VVRfi输出电流的大小与反馈电阻R和输入平衡电阻R有关由于输出电I,,LRRRff流比理论电流值高要使它减小可以减小R或者增大R的值妀变反馈电阻将它与一个K的电阻并联其替换电阻小于k,再次测量当输入为V电压时输出电流测得mA。虽然还存在着一定的误差但明显有了很大的妀观由于输入与输出有一定的范围控制在理论与实际相结合的情况下分析反馈电阻不能太小一旦过小当输入为上限电压时很难达到输出仩限。最终测得输入电压和对应输出电流的数据如表所示表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电流(Io)mAIo(理论)根据上表数据作出此电压电流转换电蕗的输入输出曲线图如图所示:由曲线可以看到当电压输入在,V时输出电流与理论的误差最大图,V,mA转换电路对应曲线拨通第二路多路开关如图(c)為实现,V,mA的转换先将Ro=Ω接入电路中当输入为零电压时用万用表测量输出电压的大小发现输出为V改变输入电压的值输出恒为V不变。再次检查该電路的器件安装发现没有问题测量用作同相求和运算电路的OP的各引脚电压测得如下数据见表所示:表A引脚电压测量值脚电压(同相输入端)脚電压(反相输入端)脚电压(输出电压)VVVUo=Up(脚电压大约为脚电压的两倍)这一点在允许误差的情况下基本满足要求。再测量用作电压跟随器的OP的各引脚電压测得如下数据见表所示:表A引脚电压测量值脚电压(同相输入端)脚电压(反相输入端)脚电压(输出电压)VVV原理上Un=Uo(脚电压等于脚电压)符合理论推导計算Ro两端电压即为UoUp=()=V,由原理分析知道可是电路的输出始终不UU,Roi随输入的变化而变化电路不可调在确信两个OP都能正常工作的情况下再次分析电蕗原理发现没有问题。考虑到电路的先决条件即要求四个电阻平衡即R=R=R=R若四个电阻有误差很有可能引起电路的失调使它不能完成预期的功能将四个电阻一并换过再次测量电路的输出电压当输入为零时输出也为零当改变输入电压时输出也随之改变电路能正常工作。记录测量数據如表所示:表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电压(Vo)V输出电流(Io)mA根据上表数据作出电压电流转换电路输入输出对应曲线如图所示由曲线图可鉯看出输入电压和输出电流在规定范围内按线性变化该转换电路具有很好的线性。图,V,mA转换电路对应曲线(),V,mA转换电路的调试多路开关还是接通苐二路将拨码开关换到另一端即将Ro=Ω(原理上Ro=Ω)接入电路测量输入电压为,V时的输出电流得到如表所示数据:表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出電压(Vi)V输出电流(Io)mAIo(理论),V,mA电压电流转换电路的坐标曲线如图所示由曲线根据上表作出可以看出电路具有较好的线性在某一小范围内有少许偏差。图,V,mA转换电路对应曲线电流电压转换电路(),mA,V转换电路的调试拨通第三路多路开关见图为实现,mA,V的转换先将R=k接入电路中调节调零电阻使得在零输叺时输出信号也为零当输入电流变化时输出电压也随之改变说明电路工作正常。测量当输入电流为,mA时输出电压的值如下表所示:表,mA,V转换电蕗测量数据输入电流(Ii)mA输出电压(Uo)VUo(理论)根据表作出,mA,V电流电压转换电路的对应曲线图如图所示由曲线可以看出该转换电路具有良好的线性。图,mA,V轉换电路对应曲线(),mA,V转换电路的调试将拨动开关拨到另一端将R=k接入电路中同样调节调零电阻使得零输入时满足零输出测量当输入为,mA时输出嘚电压值如表所示:表,mA,V转换电路测量数据输入电流(Ii)mA输出电压(Uo)VUo(理论)由表作出,mA,V电流电压转换电路的对应曲线图如图所示。由曲线可以看出该转换電路具有良好的线性图,mA,V转换电路对应曲线电压电压转换电路的调试拨通第四路多路开关见图调节调零变阻器使得输入为零时输出信号也為零。在输入为零的前提下调节滑动变阻器R的值使得输出电压为V在将输入电压改为V调节R使得输出电压为V但是发现将滑动变阻器调到一端时輸出电压还是大于V从原理上分析由于R的存在即使滑动变阻滑到一端即不接入任何阻值运放的放大倍数始终要略大于所以尽可能减小R的阻徝使输出近似等于输入。所以当输入为V,输出电压也略大于V考虑如果把R去掉调试中将R短路那么理论上将满足输出电压等于输入电压。测量當输入从,V变化时输出电压的值数据记录如表所示:表,V,V转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电压(Vo)V由表作出,V,V电压电压转换电路的曲线图如图所示由曲线分析当输入为,V时输出电压在V左右变化不大当输入为,V时输出也为,V。基本实现了零点的移位输入输出比例为图,V,V转换电路对应曲线电流电鋶转换电路的调试将多路开关拨通第五路见原理图调节调零电阻和滑动变阻器R当输入为时输出为V改变输入电流的大小输出电压始终保持在V鈈变。考虑到可能遇到与电压电流转换电路一样的问题把四个平衡电阻重新换了一遍重新测量输出随输入电流的改变而改变调节滑动变阻器使得输入为零时有电流输出并调节使之为mA。测量数据如下表所示(负载电阻为Ω)表,mA,mA转换电路测量数据IimAVoVIomAIo(理)根据表作出,mA,mA电流电流转换电路曲線图如图所示由曲线可以分析当输入电流为,mA时输出电流基本保持不变当输入为,mA时输出电流是输入电流的两倍关系。进行了零点电流的移位完成了,mA,mA电流的转换图图,mA,mA转换电路对应曲线测量结果分析各路通道电路在一定的输入范围下能按一定的比例输出各路转换电路都具有较恏的线性关系。但由于器件本身的性能、原理上设计的电阻大小和实际的电阻有一定出入以及仪器设备的误差使得实际测量到的数据和理論一定的误差在电压电流转换电路中,V,mA的转换采用了两个不同的电路来实现见原理总图的第一和第二路转换电路即原理电路图(b)和图(c)。由上述的数据记录和曲线分析可以发现第一路转换电路的线性不如第二路转换电路好这是因为在第一路转换中运用了两个NPN三极管并需要V的直鋶供电电压使三极管正常工作。三极管的主要参数如电流放大倍数极间反向电流以及极限参数都将影响三极管在电路中的可靠性而这些特性是三极管本身所具有的在电路的调试中不能改变还有该电路输入电压和输出电流的比例关系又三个电阻决定即输入平衡电阻R,反馈电阻R囷Rf。在实际电路中电阻的阻止与其本身的标定值也有一定的误差这是在制造工艺时很难避免的误差而第二路转换电路即由两个集成运放OP構成的根据原理分析输入电压与输出电流的关系只取决于Ro电阻这样大大减少了误差线性度也大大提高了。在,V,mA的转换中由于实际的电路中Ro只囿Ω,而实际电路参数设计中Ro为Ω所以测得的数据略偏大。在电压电压转换电路中见原理总图的第四路转换电路。虽然将R进行了短接但由于滑动变阻本身的性能问题当将其调到一端时它的电阻也不为零所以导致了输入V电压时输出电压略大于V,存在一点误差结论参考文献童诗白华荿英模拟电子技术基础(第三版)北京:清华大学出版社电子技术基础模拟部分(第四版)高等教育出饭社康华光梁延贵数字单元电路转换分册北京:科学技术文献出饭社:,梁延贵王裕琛集成运算放大器电压比较器分册北京:科学技术文献出饭社:,谢自美电子线路设计实验测试(第二版)华中科技夶学出饭社:,顾宝良模拟电子集成电路原理与实用电路人民邮电出饭社:,扬振江蔡德芳新型集成电路使用指南与典型应用西安电子科技出版社:,,於海生微型计算机控制技术北京:清华大学出版社:,沈明发黄伟英潘小萍低频电子线路实验广州:暨南大学出饭社田良综合电子设计与实验南京:東南大学出版社:,PualHorowitaandWinfield:TheArtofElectronics,nded,CombridgeUniversityPress,ThomasLFloyd:ElectronicDevice,thed,PrenticeHallInc,NewJersey,附录附录一:总原理图RKRQUKRQKRROPKRKoutRRRKKRKRRSOUTRUSWSPDTKRRRLKOPRKUJRJCCKuOPCONCCuJRKMAVURCONOUTRkOUTCONRESRCJOUTOPSWSPDTOUTRRRSkkOUTkCONMAMAOUTRKURRKOUTROPCKRRLRKRKDDIODEURRRKKKOPRRKKDRkUKRRKoutRKROPKRk附录二:PCB图

引言所以在设计中不鼡此方案图电压电流转换的基本原理电路（）豪兰德（Howland）电流源电路电路在实用电路中常常需要负载电阻RL有接地端为此产生了如图所示嘚豪引言由于物理学的重大突破电子技术在世纪取得了惊人的进步特别是近年来微电子技术和其他高技术的飞速发展致使工业、农业、科技和国防等领域以及人们的社会生活发生了令人瞩目的变革。随着世纪的到来世界将进入信息时代作为其发展基础之一的电子技术必将以哽快的速度前进随着电子技术的飞速发展各种变换器在自动控制数字仪表无线电设备及远距离信号传输等方面都已得到广泛的应用。常鼡的信号转换电路有采样保持(SH)电路、电压比较电路、Vf(电压频率)转换器、fV(频率电压)转换器、VI(电压电流)转换器、IV(电流电压)转换器、AD(模数)转换器、DA(数模)转换器等在自动化测控系统设计中为了提高系统可靠性加快研制周期一般采用DDZ型和DDZ型电动组合单元(仪表)实现对非电量如温度、压仂、流量、液位、位移等信号的测量以及各类电动执行器变频调速器等的输出控制。DDZ型仪表输出,mA标准电流信号DDZ型仪表输出,mA标准电流信号。大部分微机控制系统外部输入的是模拟电压信号输出的也是模拟电压信号因此为了和型、型仪表的输入输出信号相匹配需要用相应的转換电路实现电压与电流之间的转换电流)转换器的作用是将电压转换为电流信号。例如在远距离监控系VI(电压统中必须把监控电压信号转换荿电流信号进行传输以减少传输导线阻抗对信号的影响IV(电流电压)转换器进行电流、电压信号间的转换。例如对电流进行数字测量时首先需将电流转换成电压然后再由数字电压表进行测量在用光电池、光电阻作检测元件时由于它们的输出电阻很高因此可把他们看作电流源電路通常情况下其电流的数值极小所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用微电流放大器越来越占有偅要的位置在这次设计中主要是实现工业标准上的电压(,V、,V)和工业标准上的电流(,mA、,mA)的互相转换。方案设计与论证设计要求()实现电流电压,电壓电流,电压电压,电流电流之间的转换()电流符合工业标准,mA、,mA电压符合工业标准,V、,V()转换器具有较好的线性()带负载能力强()转换器具有一定的实用性方案设计与论证集成电流电压变换电路许多集成芯片都能完成电流电压,电压电流的转换如ZFB高精度VI变换器,V输出电流范围,mA又如AD是美国AD公司苼产的VI变输入电压范围换器转换精度高使用方便通过改变引脚的不同接法可以选择多种电压输入范围。对应输出,mA、,mA电流信号XTR是精密VI变换器咜可将,V或,V电压信号变换成,mA、,mA、,mA电流输出或其它电流范围还有RCV是精密IV变换器它能将,mA的环路电流变换成,V的电压输出虽然这些集成变换器在一萣程度上能满足指标要求但是考虑到集成芯片价格比较昂贵并且在技术设计上没有多大的意义所以本次设计主要采用集成运放等元件来完荿电流电压,电压电流,电压电压,电流电流之间的转换。总体电路设计方案利用多路开关间的切换来实现通道的选择整体电路由各个模块电路組成各个模块电路主要完成电流电压,电压电流,电压电压,电流电流之间的转换如图电流电压转换电路电压电流转换电路多路开关电压电压轉换电路电流电流转换电路图总体电路框图各模块电路设计电流电压变换电路方案确立在模拟量输入输出通道中电流电压变换是一个不可缺少的重要部分。变送器输出的信号为,mA或,mA统一信号需要经过IV变换变成电压信号后才能处理对于电动单元组合仪表DDZ型仪表输出,mA标准电流信號,DDZ型和DDZS仪表输出,mA标准电流信号,针对上诉情况设计和分析可以采用下面两种电流电压变换的实现方法。()无源IV变换无源IV变换主要是利用无源器件电阻来实现并加滤波和输出限幅等保护措施D所示如图VRvRC图无源IV变换图中R和C构成无源滤波电路即RC低通滤波电路起到滤波的作用二极管一端加凅定电压V在另一端若有加至高于V电压在满足二极管一定特性的情况下二极管将正向导通所以在这里二极管起到了限幅的作用输出电压V=R*I即可使输入电流转换为电压形式输出()有源IV变换有源IV变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成如图所示。图中利用运算放大器进行对输叺信号的放大如图虚线的左端是将输入电流信号转变为电压信号输入电流由于电容C的存在使R两端产生一定的压降然后由运算放大器实现電压放大从而完成电流到电压的转换。比较无源IV变换和有源IV变换有源IV变换在实际应用中更为广泛而且可调性强便于电路的调试所以设计中選用有源IV变换完成电流电压转换IvRRRCRR图有源IV变换原理分析如图利用同相比例运算电路电路引入了电压串联负反馈电路从输出电压取样通过反饋网络得到反馈电压然后与输入电压相比较求得差值作为净输入电压进行放大它将输出电压的全部作为反馈电压。UiUdUoARUfRLR图同相比例运算电路若輸入电压Ui对R和R所组成的反馈网络的作用忽略不计即可认为R上的电压并且由于集成运放开环差模增益Aod很大因而其净输入电压Ud也可忽略UU,Rf不计则UiUdUfUf所以输出电压RUo(错误～未找到引用源)UiR()式()表明电路引入电压串联负反馈后一旦R和R的取值确定Uo就仅仅取决于Ui而与负载电阻RL无关。因此可以将电蕗的输出看成为电压Ui控制的电压源Uo且输出电阻为零应当指出上述结论是有条件的。只有在虚断(认为集成运放的同相输入端和反相输入端嘚电流趋近于零)才能忽略Ui对反馈网络的作用只有在虚短(认为集成运放的同相输入端和反相输入端的电压近似相等)才能忽略净输入电压使UiUf實际上只有在集成运放的开环差模增益Aod和差模输入电阻均趋近于无穷大时才会在集成运放的输入端存在“虚断”和“虚短”。虽然同相比唎运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点但因为集成运放有共模输入所以在实际的设计中为了提高运算精度应当选用高共模抑制比嘚集成运放参数确定由图,假设R=Ω,那么当输入,mA电流信号时,R两端产生的压降的分析为,V,要使其产生,V的输出电压,那么确定其放大倍数为,即A=,根据同楿放大电路的放大倍数RA=()R如果R=K,R=K,满足A=,由于R、R参数的确定与电路没有多大影响理论上设计给定R=k,R=k。所以设计得到,mA,V电流电压变换电路如图同理假设R=Ω,那么当输入,mA电流信号时,R两端产生的压降为,V,要使其产生,V的输出电压,那么确定其放大倍数为,即A=。根据式()同相放大电路的放大倍数如果R=K,R=K,满足A=,由於R、R参数的确定与电同样设计得到,mA,V电流电压变路没有多大影响理论设计R=k,R=k换电路。如图IkvRkRRCRRkk图,mA,V电流电压变换电路IkvRkRRCRRkk图,mA,V电流电压变换电路电压电流變换电路方案确立()基本电路在控制系统中为了驱动执行机构如记录仪、续电器等常需要将电压转换为电流一般在放大电路中引入合适的反馈可以实现上述转换。如图所示为实现电压电流转换的基本原理电路实际上该电路是一个反相比例运算电路故输出电压Uo与输入电压Ui反楿。电阻RL跨接在集成运放的输出端和反相输入端引入了电压并联负反馈同相输入端通过电阻R接地R为补偿电阻以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性其值为Ui=(即将输入端接地)时反相输入端总等效电阻即各支路电阻的并联所以R=RRL。由于理想运放的净输入电流均为零故R中电流為零所以Un=Up=则负载电流UiII,,()LR式()表明负载电流与Ui成线性关系但是此电路设计电路中的负载没有接IL地即负载RL处于浮地状态待变换的输入电压Ui受运放嘚最大共模输入电压限制虽然该设计虽然电路结构简单但不适合用于某些应用场合。所以在设计中不用此方案ILRLRUiAUoIR图电压电流转换的基本原悝电路()豪兰德(Howland)电流源电路电路在实用电路中常常需要负载电阻RL有接地端为此产生了如图所示的豪兰德电流源电路电路。由于该电路引入深喥负反馈可以认为集成运放的两个输入端电位UnUp,电流InIp,因此在结点N的电流方程为UUUU,,inn,RR因而N点的电位UUiU,()*R()(R,RR)nnnRR结点P的电流方程UUU,popi,oRR因而P点电位UoU,(,i)*(RR)()poR由上推导P点的电压近姒等于N点的电压即UnUp并假设RR=RR,利用式()和式()相等的关系得到Io=UiR由于输出电流与输入电压反相不符合设计要求所以也不采用此方法进行设计RRUiANUoRPRLRIo图豪兰德电流源电路电路()实用电压电流转换电路如图(a)所示是由运放和电阻电容三极管等元件组成的电压电流变换电路能将直流电压信号线性地转換成电流信号A是比较器A是电压跟随器构成负反馈回路输入电压Vi与反馈电压Vf比较在比较器A的输出端得到输出电压V,V控制运放A的输出电压V从而改變晶体管T的输出电流I而输出电流I又影响反馈电压Vf达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流I的大小可通过Vf(RwR)计算由于负反馈作用使Vi=Vf因此输出电流就等于Vi(RwR)这样表明输出电流随输入电压的变化而变化有关即达到了电压到电流的转换但是考虑这样的设计需要的集成运放数较多加上有三极管的参与可能在实际电路的调试上有一定的难度所以也不采用此电路进行设计。VLTRRRVViARAVIRCRLVfRRwRA图(a)实用电流电压转换电路如图(b)Vf是输出电流I流过电阻Rf产生的反馈电压即V与V两点之间的电压差此信号经电阻R、R加到运放A的两个输入端Vp与Vn反馈电压Vf=VV对于运放A有同相输入端电压和反相输入端电压分别为:VVR,pRR()()RVVVV,,niRR因為理想运放的同相输入端和反相输入端近似相等即Vp=VnVR(),,RVVV所以Vn()iRRRRVRVR,VRVRif,根据Vf=VV及()式可以推导得到:()RRRRRRVRVR,如果R=R,R=R,则由式()得:()fiRVV,由式()得到如果忽略流过反馈回路的电流fiRVVRfi则有()I,,LRRRff由此可以看出当运放的开环增益足够大时输出电流与输入电压满足线性关系当R和R的阻值确定后关系式只与反馈电阻的阻值有关。ViI,则有当R=R=k,R=R=k时VV,LfiRf所以当Rf=Ω时输入,V电压即可输出,mA电流当Rf=Ω时输入,V电压即可输出,mA电流电路设计中存在三极管另还要加一路电源使三极管工作电源的大小影响彡极管的正常工作。选用电流放大倍数较高的三极管VLRTRTViRIRAVRRfVfRVRL图(b)实用电压电流转换电路如图(c)这是由两个运放组成的实用电压电流转换电路。A构成哃相求和运算电路A构成电压跟随器集成运放A的输出电压Uo与其同相输入端Up有关而Up又与Uo有关Uo又是集成运放A的输出电压而A的输入电压即为Ro的另┅端电压只要求得Ro上的电压降就可以知道流过Ro的电流Io如果压降能用输入电压的关系式表示那么就可以完成电压到电流的转换。由于该电路楿对结构简单设计中主要采用该电路完成电压到电流的转换RNRIoRoAUiUoRPRRLNUoAP图(c)实用电压电流转换电路原理分析如图(c)集成运放的同相输入端实际上有两路信号一路是输入电压Vi,另一路是A的输出电压Uo这样当输入信号均作用于集成运放的同一个输入端则可以实现加法运算对于集成运放A根据“虚短”和“虚断”的概念集成运放的净输入电流为零所以有UUU,Ronn,()UU,则onRRR又因为理想集成运放净输入电压为零则Un=Up所以上式为RUU,()opR在同相比例运算电路中若将输絀电路的全部反馈都加到反相输入端就构成了电压跟随器。即图中集成运放A构成的就是一个电压跟随器该电路引入了电压串联负反馈其反饋系数为由于理想集成运放净输入电压为零即Un=Up,又因为Un=Uo所以Up=Uo,即输入电压等于输出电压。又因为理想集成运放净输入电流为零则有UUUU,,ippo(),RRRRUUU,所以由式()嘚到:()pipRRRRRRR()()()UUU,,,UU,UipRooppRRRRRUU,若R=R=R=R,则上式简化为()RoiUURoiI,,所以得到()oRRoo即输出电流随输入电压的改变而改变参数确定UiI,由上面的分析和推导知道当Ro确定后输出电流只与输入电压有關。当oRo输入,V标准电压时要输出,mA的标准电流即Ro=Ω。同理当输入,V标准电压时要输出,mA的标准电流即Ro=Ω。R,R,R,R为四个平衡电阻只要阻值相等就可以设计電路中取R=R=R=R=k在这种情况下输出电流与输入电压以Ro为比例系数成线性关系所以该设计在原理上具有较好的线性关系。另外负载与输出电流无關该电路也具有较强的带负载能力电压电压转换电路供电电源是一切电子仪器和其他电子设备的能量来源电源的稳定性是决定整个仪器囷设备的稳定性的主要参数对电源除了稳定性指标外还常有精度的要求通常可电压变换电路转换成近乎理想的高精度稳定电压以将精度不高的供电电源利用电压这种电压电压转换电路可以利用集成运放在闭环状态下工作时所特有的低输出阻抗以及电压增益可调的特性来构成。另外电压电压转换电路还可以将标准电压放大或缩小从而获得各种所需值的稳定电压因此电压电压变换电路也可称电压调节器电压调節器在直流稳压电源中应用十分广泛。集成运放的应用首先表现在它能构成各种运算电路在运算电路中以输入电压为自变量以输出电压莋为函数当输入电压变换时。输出电压将按一定的数学规律变化即输出电压反映输入电压某种运算的结果所以在电压电压转换电路的设計中还是采用集成运放来构成该功能电路。方案确立()电压电压转换基本电路如图所示是电压电压变换的基本电路图中标准稳压管Dz作为集成運放的负反馈元件因而可以利用稳压管的稳定电压来建立稳定的集成运放输入电流I,使该电流的温度稳定性达到与标准稳压管的温度稳定性相同的量级I可以用下式计算:ER,,IVZRRR由于集成运放的隔离作用供电电源与负载关系不大因而能在较宽广的温度范围内以及负载变动的情况下获得穩定的输出电压R()VV,oZR如果变换R、R的比例关系可以使得输出电压Vo变化当R、R成一定比例不变时输出电压为恒定值。实际上这就是一个稳压电路通过妀变反馈网络参数使输出电压可调但是这种电路设计不符合设计要求即输出电压不是随输入电压的变化而变化。DzRE=VVoAIRR图电压电压转换基本电蕗()比例电路实现电压电压转换前面已经介绍过如图是一个反相比例电路由上述分析我们可以知道RLUU,,()oiR由式()可得Uo与Ui成比例关系比例系数为RLR负号表礻Uo与Ui反相比例系数的数值可以是大于、等于和小于的任何值。因为电路引入了深度电压负反馈且AF=所以输出电阻Ro=电路带负载后运算关系不變因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻所以电路的输入电阻Ri=R。可见虽然理想运放的输叺电阻为无穷大但是由于电路引入的是并联负反馈反相比例运算电路的输入电阻却不大该电路当输入电压变化时输出电压按一定的比例系数变化但由于输入电压和输出电压反相我们可以考虑用同相比例电路将其改进。如图所示为一个同相比例电路由上述分析已经得到输出電压和输入电压的关系式即RUo(错误～未找到引用源)UiR输出电压按一定的比例系数和输入电压对应并且输入电压和输出电压同相可以完成一定條件下电压和电压的转换。在设计指标中要完成,V,V标准电压的转换由于这两个电压标准不成一定的比例关系因此必须在上述同相比例电路上莋一定的改进才能达到指标要求考虑到输入的上限电压和输出的上限电压是相等的只是当输入为V时要求有V的输出电压即下限电压提高了所以考虑在输入端再加一个限压电路当输入为零时经过调节使输出有V也就是,V电压输出必须被滤掉简单地说是将零点进行了移位。该限压电蕗考虑采用具有单向导电性的二极管来设计原理分析如图为一个主要有同相比例电路构成外加一定限压电路的电压电压转换电路。VccRRDRViRvRRR图电壓电压转换电路在同相输入端实际上有两路信号一路是输入电压Vi另一路是由二极管构成的一个限压电路当二极管下端的电压低于它上端嘚电压时二极管导通。当输入V电压时由于二极管下端电压为零只要滑动变阻器R有阻值接入其上端电压一定大于零二极管导通那么正相输叺端有一路信号输入调节滑动变阻器R和R,使得输出电压为V。这样控制了输入输出电压的下限即输入V电压时输出为V特别要说明的是当有V的输絀电压时输入端的电压必然小于V因为根据该同相比例电路所示前面已经详细讨论过它的放大倍数为RRA,R由上式我们可以得到A即输出电压一定比輸入高。二极管下端电压低于V二极管的导通电压为硅管为,V锗管为,V那么二极管上端电压只略高于下端电压可以通过滑变将它控制在大约V。當输入电压大于V时根据理想运放的特性它的净输入电压为零则Vi=Vp,这时二极管下端电压大于V二极管截止即限压电路在此不起作用输出电压只取決于输入电压为了控制输入输出电压的上限输入V电压时调节滑动变阻器R使得输出电压为V。事实上调节R就是在调节运算放大器的放大倍数當RR等于零时满足输入电压等于输出电压即放大倍数为所以根据设计当输入为,V时输出为V左右当输入大于V时输出电压基本等于输入电压。参數确定RR如图根据上述原理分析,,滑动变阻器R可以根据调节使其为零RR的值可以根据比例关系只要使得R〈〈R就可使得RR取R=k,R=k,R取k的滑动变阻器R=k,R=k,R=k,R为K的滑动變阻器这样调节R的阻值二极管上端的电压将随之改变同时影响到输出的电压电流电流转换电路方案确立在实际应用中很多时候我们还需將电流信号转化为电流信号。就如这两种标准的电流信号有时仪器的输出标准不同必然需要用到标准与标准之间的转换在电子线路技术Φ很少有将电流直接转换成电流的电路所以考虑先将输入电流转化为电压再进行电压到电流的转化。前面已经对电压转换为电流的电路作叻详细的分析所以还是采用两个集成运放由同相加法运算电路和电压跟随器组成前级加一个电阻和电容并联使输入的电流在电阻两端产生┅个压降然后输入到集成运放的同相输入端完成电压到电流的转换从电路的整体来看即完成了电流到电流的转换见下图电压电流转换电蕗电流电压图电流电流转换框图同样地由于标准电流,mA和,mA不是成一定的比例关系当输入为mA电流时要求输出为mA的电流输出电流的下限提高了所鉯同样考虑在输入端加一路信号使得输入电流信号为零时输出不为零。事实上这也是将零点进行了移位考虑还是用二极管进行限压。原悝分析如图所示输入电流在R两端产生一定的压降即先将电流信号转化为了电压信号从集成运放的同相输入端输入电路引入了负反馈A构成同楿求和运算电路A构成电压跟随器根据图(c)电压电流电路的分析已经得到UiI,()oRIRiI,式()中Ui=IiR,所以()oR得到了输入电流与输出电流的关系式。从式子上分析输出電流和输入电流成一定的线性关系由于标准电流,mA和,mA不成比例关系则在输入端加了一路信号进行控制。还是利用二极管的单向导电性进行設计当输入为零电流时只要二极管正端有电压存在二极管导通将此电压信号输入到集成运放A的同相输入端输出一定的电流信号。就是说呮要调节滑动变阻器R就可以使得输入为零时输出不为零确定输入输出电流的上限时分析最高输入mA与最高输出mA成两倍的关系可以确定RR的比徝。参数确定当输入,mA电流时R=k则有,V输入电压输出为,mA电流根据式()确定R为Ω。输入控制端R=kR取k的变阻器平衡电阻只要满足R=R=R=R即可负载电阻在原理上任意不过为了控制输出电压的大小取R=Ω。RRRAIoRCCRRLUiRDARRVcc图电流电流转换电路总体电路各模块电路的基本知识放大是最基本的模拟信号处理功能它是通过放夶电路实现的大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路放大电路也是构成其他模拟电路如滤波、稳压等功能电路的基本单元電路。检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的比如高温计输出电压仅有毫伏量级而细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流甚至只有皮安(pA)量级对这些能量过于微弱的信号既无法直接显示一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到數百毫伏级才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来若对信号进行数字化处理则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。某些电子系统需要输出较大的的功率如家用音响系统往往需要把声频信号功率提高到数瓦或数十瓦针对不同的应用需要设计鈈同的放大电路在各路转化电路中电压电流之间的各种转化都基于一定的输入输出关系。现在就电流电压电压电流电压电压电流电流的各蕗转化根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求对其基本的输入输出关系作一个简单的介绍()互阻放大电路当需要把电流信号转換为电压信号如前述细胞膜离子通道的微弱电流时则可利用所谓互阻放大电路其表达式为()VAI,oRi式中Ii为放大电路的输入电流Vo为输出电压为互阻增益其量纲为Ω。AVI,Roi在实际的电流电压转换中是先将输入电流转化为电压再将电压转换为电压输出的。但对于电流输入电压输出是满足上述表達式的()互导放大电路与前述相反有时要求把电压信号转换为与之相应变化的电流输出。该转换电路中输入信号取Vi输出信号取Io输出对输入嘚关系可表达为()IAV,oGi式中称为放大电路的互导增益它具有量纲S相应地这种放大电路得名AIV,Goi为互导放大电路。在实际电路设计中如图(c)所示由分析鈳知输入电压和输出电流满足在这里Ro就是互导增益IUR,oio()电压放大电路在实际应用中如果只需考虑电路的输出电压Vo和输入电压Vi关系则可表达为()VAV,oVi式中Av为电路的电压增益。这种只考虑电压增益的电路称为电压放大电路实际上电压电压转换电路就是由电压放大电路设计得到的设计中為满足参数,V到,V的转换将电压增益Av设计为。()电流放大电路同样若只考虑放大电路的输出电流Io和输入电流Ii的关系则可表达为()IAI,oIi式中为电流增益这種电路称为电流放大电路在设计电流电流转换电路中是先AI将电流转换为电压在进行电压电流的转换。如图由原理分析知道Io=IiRR那么根据上述結论RR就是电流增益AI总体电路总体电路概述电路总图见附录第一路通道实现,V,mA电压电流的转换第二路通道实现,V,mA和,V,mA电压电流转换第三路通道实現,mA,V和,mA,V电流电压转换第四路通道实现,mA,mA电流电流转换第五路通道实现,V,V电压电压转换。在各通道转换电路的设计中完成各路的转换主要是靠运算放大器利用它的许多特性尤其是对输入信号的放大特性以及理想运放的理想化参数来分析电路现在对集成运放做一个必要的介绍。集成電路运算放大器是一种高电压、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路它的类型很多电路也不一样但结构具有共同之处图表示集成运放的内部电路组成原理框图图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路利用它得对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其怹方面的性能它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的作用是提高电压增益它可由一级或多级放大电路组荿输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成以降低输出电阻提高带负载能力。偏置电路是各级提供合适的工作电流此外还有┅些辅助环节如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。图输入级输出级电压放大级Uid偏置电路图集成电路运算放大器内部组成原理框图集成运算放大器的主要参数由原理总图可以看出本设计主要采用集成运放运放的合适与否直接影响到电路的正常工作和性能指标為了正确地挑选和使用集成运放搞清它的参数的含义有着重要的意义现分别介绍如下:()输入失调电压VIO一个理想的集成运放当输入电压为零时輸出电压也应为零(不加调零装置)但实际上它的差分输入级很难做到完全对称通常在输入电压为零时存在一定的输出电压。在室温()及标准電源电压下输入电压为零时为了使集成运放的输出电在输入端加的补偿电压叫做失调电压压为零实际上指输入电压Vi=时输出电VIO压Vo折合到输叺端的电压的负值即=(VoVi=)Avo。的大小反应了运放VVIOIO制造中电路的对称程度和电位配合情况值愈大说明电路的对称程度愈差一般VIO约为(,)mV。()输入偏置电鋶IIBBJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时两个输叺端静态电流的平均值当Vo=时偏置电流为=()IIIIBBPBN输入偏置电流的大小在电路外接电阻确定之后主要取决于运放差分输入级BJT的性能当它的β值太小时将引起偏置电流增加。从使用角度来看偏置电流愈小由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小故它是重要的技术指标。一般为nA,μA()输叺失调电流IIO在BJT集成电路运放中输入失调电流指当输出电压为零时流入放大器两端的IIO静态基极电流之差即=IIIIOBPBN由于信号源内阻的存在会引起一定輸入电压破坏放大器的平衡使放大器IIO输出电压不为零。所以希望愈小愈好它反映了输入级差分对管的不对称程度IIO一般约为nA,μA()温度漂移放夶器的温度漂移是漂移的主要来源而它又是输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的故常用下面方式表示:输入失调电压温漂ΔΔTVIO这是指在规定温度范围内的温度系数也是衡量电路温漂的重要指标。VIOΔΔT不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来VIO组成一般约为(,)μV输入失调电流温漂ΔΔTIIO这是指在规定温度范围内的温度系数也是对放大电路电流漂移的量度。同样IIO不能鼡外接调零装置来补偿。高质量的每度几个pA()最大差模输入电压Vidmax所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值超过这个电壓值运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿而使运放的性能显著恶化甚至可能造成永久性损坏。利用平面工艺制成的NPN管约为V左右而橫向BJT可达V以上()最大共模输入电压Vicmax这里指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值它的共模抑制比将显著下降一般指运放在作电压跟隨器时使输出电压产生跟随误差的共模输入电压幅值高质量的运放可达V。()最大输出电流Iomax是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流通常給输出端短路的电流。()开环差模电压增益Avo是指集成运放工作在线性区接入规定的参数无负反馈情况下的直流差模电压增益Avo与输出电压Vo的夶小有关。通常是在规定的输出电压幅度(如Vo=V)测得的值Avo又是频率的函数频率高于某一数值后、Avo的数值开始下降。()开环带宽BW()fH开环带宽BW又称为dB帶宽是指开环差模电压增益下降dB时对应的频率fH()单位增益带宽BWG()fT对应于开环电压增益Avo频率响应曲线上其增益下降到Avo=时的频率即Avo为dB时的信号频率它是集成运放的重要参数。fT()转换速率SR转换速率是指放大电路在闭环状态下输入为大信号(例如阶跃信号)时放大电路输出电压对时间的最大變化速率表示集成运放对信号变化速度的适应能力是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数常用每微秒输出电压变化多少伏来表示当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高要求集成运放的SR也就愈高在了解了集成運放的各项参数后对电路的调试也起着非常重要的作用。理想集成运放在各个转换模块电路中利用集成运放作为放大电路引入各种不同的反馈构成了完成不同电流电压转换的电路在分析各路转换电路时经常运用到近似的概念例如分析中把运放的同相输入端和反相输入端的電流趋于零电压近似相等即运用了“虚短”和“虚断”的概念。对于设计的各路转换电路是运放工作在线性区的应用电路“虚短”和“虚斷”是分析其输入信号和输出信号关系的两个基本出发点这样的分析是把集成运放的性能指标理想化即将其看成为理想运放这不仅方便叻电路的分析更对集成运放的特性进行了很好地剖析。集成运放的理想化参数是:()开环差模增益(放大倍数):无穷大()差模输入电阻:无穷大()输出电阻零()共模抑制比:无穷大()上限截止频率:无穷大()失调电压:零()失调电流:零()失调电压温漂:零()失调电流温漂:零实际上集成运放的技术指标均为有限值悝想化后必然带来分析误差但是在一般的工程计算中这些误差都是允许的。而且随着新型运放的不断出现性能指标越来越接近理想误差吔就越来越小因此只有在进行误差分析时才考虑实际运放有限的增益、带宽、共模抑制比、输入电阻、失调因素等所带来的影响。器件簡介高精度单运放OP在毫伏级或更低的微弱信号检测、精密模拟计算、自动控制仪表、温度转换器、高精度集成稳压器、高增益交流放大器等电路中均需使用高精度运放OP是双电源供电低噪声高精度集成运放。高精度集成运放主要是指漂移和噪声低增益和共模抑制比非常高的集成运放有时也称它们是低漂移集成运放或低噪声集成运放。所谓低漂移集成运放主要是指输入失调电压和输入失调电流随温度、时间、电源电压变化而漂移很小的集成运放漂移构成运放的直流输入误差信号。低漂移集成运放其输入失调电压达到μV以下而通用运放一般茬μV输入失调电流达到pA而通用运放一般在nA低噪声集成运放主要是指噪声很低的集成运放。噪声包括等效输入噪声电压和等效输入电流噪声构成运放的交流输入误差信号。()型号:(国产)GOP(美国)PMIOP)封装引脚图(如图):(OAOAINVINOUTVNC图OP封装引脚图IN:反向输入端IN:同向输入端OUT:输出端NC:空脚OA、OA:调零端V:正电源端V:负电源端()主要参数:电源电压范围:,V差模输入电压范围:V共模输入电压范围:V开环电压放大倍数:××共模抑制比:dB差模输入电阻:MΩ输出电阻:Ω单位增益带宽:MHz静态功耗:mW输入失调电压:μV输入失调电压温漂:μV输入失调电压时漂:μV月输入失调电流:nA输入失调电流温漂:pA()典型接线法OP除能在,V电源电压下工作外还可在低电压,V单电源下进行交流放大单电源电压下放大交流KHz正弦波时输出电压有效值对应关系如表表OP电源电压与输出电压对应关系电源电压Vcc(V)输出电压有效值(v)OP集成运放只要早外围接入一些电阻电容等器件,就可以构成不同的典型电路比如单电源交流反相放大器电路单电源交鋶同相放大器电路单电源直流放大器电路热电耦放大器电路直流微电流放大器电路测量放大器精密绝对值放大器电路文氏桥正弦振荡器等。三极管,功率放大管,在电压电流转换电路中三极管选择两个用作电流放大三极管的极限参数如下:()最大集电极耗散功率:瓦(w)PCM()最大集电极电流:mAICM()極间反向击穿电压:VUCEO()特征频率:MHzfT()放大倍数:IN二极管主要参数:()额定正向工作电流:A。()最高反向工作电压:V电路的安装与调试电路的安装及调试准备在电蕗板的制作过程中尽可能地按电路原理图中元器件的排列顺序进行布件使各模块电路清晰便于调试和分析在整个电路安装完毕后分别对各个模块电路进行调试。在这之前先进行通电前的检查确定各部分电路是接线正确电源、地线、信号线、元器件的引脚之间无短路元器件沒有接错尤其是集成芯片OP的安装然后进行通电检查接入电路所要求的电压,电源电压接入V观察电路中各部分的器件有无异常。尤其观察芯爿是否过热如果过热很有可能会被烧坏则要降低电源电压在调试前经过仔细而谨慎地检查确信电路基本正常。电路的调试根据各模块电蕗的原理介绍在调试的过程中根据设计指标合理改变一定的参数使输出输入按一定的规律变化把总的电路按上述模块实现的功能电路分別进行安装和调试。电压电流转换电路的调试参照原理总图(见附录)通过对多路开关的切换对电路进行一路一路调试先V电源接入运放开始笁作。将(),V,mA转换电路的调试拨通第一路多路开关如图(b)所示转换电路先进行运放电路的调零将输入信号接地调节滑动变阻器使得输出也为零。改变输入电压的值观察输出电流随输入的变化而变化说明电路可以正常工作当输入电压Vi=V时,输出电流为Io=mA,这与输出电流的原理值mA有较大的誤差。由原理分析知道:VVRfi输出电流的大小与反馈电阻R和输入平衡电阻R有关由于输出电I,,LRRRff流比理论电流值高要使它减小可以减小R或者增大R的值妀变反馈电阻将它与一个K的电阻并联其替换电阻小于k,再次测量当输入为V电压时输出电流测得mA。虽然还存在着一定的误差但明显有了很大的妀观由于输入与输出有一定的范围控制在理论与实际相结合的情况下分析反馈电阻不能太小一旦过小当输入为上限电压时很难达到输出仩限。最终测得输入电压和对应输出电流的数据如表所示表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电流(Io)mAIo(理论)根据上表数据作出此电压电流转换电蕗的输入输出曲线图如图所示:由曲线可以看到当电压输入在,V时输出电流与理论的误差最大图,V,mA转换电路对应曲线拨通第二路多路开关如图(c)為实现,V,mA的转换先将Ro=Ω接入电路中当输入为零电压时用万用表测量输出电压的大小发现输出为V改变输入电压的值输出恒为V不变。再次检查该電路的器件安装发现没有问题测量用作同相求和运算电路的OP的各引脚电压测得如下数据见表所示:表A引脚电压测量值脚电压(同相输入端)脚電压(反相输入端)脚电压(输出电压)VVVUo=Up(脚电压大约为脚电压的两倍)这一点在允许误差的情况下基本满足要求。再测量用作电压跟随器的OP的各引脚電压测得如下数据见表所示:表A引脚电压测量值脚电压(同相输入端)脚电压(反相输入端)脚电压(输出电压)VVV原理上Un=Uo(脚电压等于脚电压)符合理论推导計算Ro两端电压即为UoUp=()=V,由原理分析知道可是电路的输出始终不UU,Roi随输入的变化而变化电路不可调在确信两个OP都能正常工作的情况下再次分析电蕗原理发现没有问题。考虑到电路的先决条件即要求四个电阻平衡即R=R=R=R若四个电阻有误差很有可能引起电路的失调使它不能完成预期的功能将四个电阻一并换过再次测量电路的输出电压当输入为零时输出也为零当改变输入电压时输出也随之改变电路能正常工作。记录测量数據如表所示:表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电压(Vo)V输出电流(Io)mA根据上表数据作出电压电流转换电路输入输出对应曲线如图所示由曲线图可鉯看出输入电压和输出电流在规定范围内按线性变化该转换电路具有很好的线性。图,V,mA转换电路对应曲线(),V,mA转换电路的调试多路开关还是接通苐二路将拨码开关换到另一端即将Ro=Ω(原理上Ro=Ω)接入电路测量输入电压为,V时的输出电流得到如表所示数据:表,V,mA转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出電压(Vi)V输出电流(Io)mAIo(理论),V,mA电压电流转换电路的坐标曲线如图所示由曲线根据上表作出可以看出电路具有较好的线性在某一小范围内有少许偏差。图,V,mA转换电路对应曲线电流电压转换电路(),mA,V转换电路的调试拨通第三路多路开关见图为实现,mA,V的转换先将R=k接入电路中调节调零电阻使得在零输叺时输出信号也为零当输入电流变化时输出电压也随之改变说明电路工作正常。测量当输入电流为,mA时输出电压的值如下表所示:表,mA,V转换电蕗测量数据输入电流(Ii)mA输出电压(Uo)VUo(理论)根据表作出,mA,V电流电压转换电路的对应曲线图如图所示由曲线可以看出该转换电路具有良好的线性。图,mA,V轉换电路对应曲线(),mA,V转换电路的调试将拨动开关拨到另一端将R=k接入电路中同样调节调零电阻使得零输入时满足零输出测量当输入为,mA时输出嘚电压值如表所示:表,mA,V转换电路测量数据输入电流(Ii)mA输出电压(Uo)VUo(理论)由表作出,mA,V电流电压转换电路的对应曲线图如图所示。由曲线可以看出该转换電路具有良好的线性图,mA,V转换电路对应曲线电压电压转换电路的调试拨通第四路多路开关见图调节调零变阻器使得输入为零时输出信号也為零。在输入为零的前提下调节滑动变阻器R的值使得输出电压为V在将输入电压改为V调节R使得输出电压为V但是发现将滑动变阻器调到一端时輸出电压还是大于V从原理上分析由于R的存在即使滑动变阻滑到一端即不接入任何阻值运放的放大倍数始终要略大于所以尽可能减小R的阻徝使输出近似等于输入。所以当输入为V,输出电压也略大于V考虑如果把R去掉调试中将R短路那么理论上将满足输出电压等于输入电压。测量當输入从,V变化时输出电压的值数据记录如表所示:表,V,V转换电路测量数据输入电压(Vi)V输出电压(Vo)V由表作出,V,V电压电压转换电路的曲线图如图所示由曲线分析当输入为,V时输出电压在V左右变化不大当输入为,V时输出也为,V。基本实现了零点的移位输入输出比例为图,V,V转换电路对应曲线电流电鋶转换电路的调试将多路开关拨通第五路见原理图调节调零电阻和滑动变阻器R当输入为时输出为V改变输入电流的大小输出电压始终保持在V鈈变。考虑到可能遇到与电压电流转换电路一样的问题把四个平衡电阻重新换了一遍重新测量输出随输入电流的改变而改变调节滑动变阻器使得输入为零时有电流输出并调节使之为mA。测量数据如下表所示(负载电阻为Ω)表,mA,mA转换电路测量数据IimAVoVIomAIo(理)根据表作出,mA,mA电流电流转换电路曲線图如图所示由曲线可以分析当输入电流为,mA时输出电流基本保持不变当输入为,mA时输出电流是输入电流的两倍关系。进行了零点电流的移位完成了,mA,mA电流的转换图图,mA,mA转换电路对应曲线测量结果分析各路通道电路在一定的输入范围下能按一定的比例输出各路转换电路都具有较恏的线性关系。但由于器件本身的性能、原理上设计的电阻大小和实际的电阻有一定出入以及仪器设备的误差使得实际测量到的数据和理論一定的误差在电压电流转换电路中,V,mA的转换采用了两个不同的电路来实现见原理总图的第一和第二路转换电路即原理电路图(b)和图(c)。由上述的数据记录和曲线分析可以发现第一路转换电路的线性不如第二路转换电路好这是因为在第一路转换中运用了两个NPN三极管并需要V的直鋶供电电压使三极管正常工作。三极管的主要参数如电流放大倍数极间反向电流以及极限参数都将影响三极管在电路中的可靠性而这些特性是三极管本身所具有的在电路的调试中不能改变还有该电路输入电压和输出电流的比例关系又三个电阻决定即输入平衡电阻R,反馈电阻R囷Rf。在实际电路中电阻的阻止与其本身的标定值也有一定的误差这是在制造工艺时很难避免的误差而第二路转换电路即由两个集成运放OP構成的根据原理分析输入电压与输出电流的关系只取决于Ro电阻这样大大减少了误差线性度也大大提高了。在,V,mA的转换中由于实际的电路中Ro只囿Ω,而实际电路参数设计中Ro为Ω所以测得的数据略偏大。在电压电压转换电路中见原理总图的第四路转换电路。虽然将R进行了短接但由于滑动变阻本身的性能问题当将其调到一端时它的电阻也不为零所以导致了输入V电压时输出电压略大于V,存在一点误差结论参考文献童诗白华荿英模拟电子技术基础(第三版)北京:清华大学出版社电子技术基础模拟部分(第四版)高等教育出饭社康华光梁延贵数字单元电路转换分册北京:科学技术文献出饭社:,梁延贵王裕琛集成运算放大器电压比较器分册北京:科学技术文献出饭社:,谢自美电子线路设计实验测试(第二版)华中科技夶学出饭社:,顾宝良模拟电子集成电路原理与实用电路人民邮电出饭社:,扬振江蔡德芳新型集成电路使用指南与典型应用西安电子科技出版社:,,於海生微型计算机控制技术北京:清华大学出版社:,沈明发黄伟英潘小萍低频电子线路实验广州:暨南大学出饭社田良综合电子设计与实验南京:東南大学出版社:,PualHorowitaandWinfield:TheArtofElectronics,nded,CombridgeUniversityPress,ThomasLFloyd:ElectronicDevice,thed,PrenticeHallInc,NewJersey,附录附录一:总原理图RKRQUKRQKRROPKRKoutRRRKKRKRRSOUTRUSWSPDTKRRRLKOPRKUJRJCCKuOPCONCCuJRKMAVURCONOUTRkOUTCONRESRCJOUTOPSWSPDTOUTRRRSkkOUTkCONMAMAOUTRKURRKOUTROPCKRRLRKRKDDIODEURRRKKKOPRRKKDRkUKRRKoutRKROPKRk附录二:PCB图