电压电流转换器.docx
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电压电流转换器
级《模拟电子技术》课程设计说明书
电压电流转换器
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
、职称
专业：
班级：
完成时间：
《模拟电子技术》课程设计任务书
学院：
电气与信息工程学院
适应专业：
自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程
指导教师
学生姓名
课题名称
电压电流转换电路
内
容
及
任
务
一、设计任务
采用集成运算放大器设计一个将直流电压转换成直流电流的转换电路，分为0-5V/0-10mA,0-10V/0-10mA,-10V-+10V/4-20mA三个档位，电路设计方案自行确定。
二、设计内容
1、电路设计方案比较；
2、电路参数分析计算和选择；
3、单元电路设计并进行分析；
4、实物制作；
5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；
6、撰写设计报告。
拟
达
到
的
要
求
或
技
术
指
标
1、基本要求与指标
1、输入为0-5V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；
2、输入为0-10V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；
3、输入为-10V-+10V直流电压，输出为4-20mA的直流电流。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2015.6.15-2015.6.19
下达任务书；针对选题任务书，收集资料。
2015.6.20-2015.6.21
针对课题任务，进行电路设计与仿真。
2015.6.22-2015.6.23
进行电路制作与调试。
2015.6.24-2015.6.25
进行说明书书写。
2015.6.26
实物答辩与说明书书写。
主
要
参
考
资
料
［1］康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）［Ｍ］.北京：
高等教育出版社，
［2］许晓华，何春华.Multisim10计算机仿真及应用［Ｍ］.北京：
北京交通大学出版社，
［3］熊幸明.电工电子实训教程［Ｍ］.北京：
清华大学出版社，
［4］王渊峰.AltiumDesigner10电路设计标准教程［Ｍ］.北京：
科学出版社
指导
教师
意见
签名：
年月日
教研室
意见
签名：
年月日
摘要
电压电流转换器是将输入的电压信号转换成电流信号的电路，是电压控制的电流源。
在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号输出时,一般是以电压输出。
在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。
为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,使传输线路抗干扰性能降低,易受外界干扰,信号传输不稳定,这样在长距离传输模拟信号时,不能用电压输出方式,而把电压输出转换成电流输出。
另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。
V/I转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输。
课题所设计的V/I转换器可实现输入为0-5V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；输入为0-10V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；输入为-10V—+10V直流电压，输出为4-20mA的直流电流。
其中，对于-10V—+10V转换为4-20mA，首先采用一个电压串联负反馈电路，将输入电压放大一定倍数，再采用一个电流串联负反馈电路将电压转换为对应的电流输出。
经过后期测试，设计电路符合课题设计要求。
关键词：
电压控制电流源；长距离传输；电压串联负反馈电路；电流串联负反馈电路
1.绪论
1.1设计意义及背景
电压电流转换器是将输入的电压信号转换成电流信号的电路，是电压控制的电流源。
在工业控制和许多传感器的应用电路中,摸拟信号输出时,一般是以电压输出。
在以电压方式长距离传输模拟信号时,信号源电阻或传输线路的直流电阻等会引起电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。
为了避免信号在传输过程中的衰减,只有增加信号接收端的输入电阻,但信号接收端输入电阻的增加,使传输线路抗干扰性能降低,易受外界干扰,信号传输不稳定,这样在长距离传输模拟信号时,不能用电压输出方式,而把电压输出转换成电流输出。
另外许多常规工业仪表中,以电流方式配接也要求输出端将电压输出转换成电流输出。
V/I转换器就是把电压输出信号转换成电流输出信号,有利于信号长距离传输。
V/I转换器可由晶体管等多种器件组成。
电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。
一般来说，电压电流转换电路是通过负反馈的形式来实现的，可以是电流串联负反馈，也可以是电流并联负反馈。
电流串联负反馈为同相端输入，电流并联负反馈为反相端输入。
0-5V/0-10mA,0-10V/0-10mA并不适用于一般反相端输入。
设计电流并联负反馈电路会比较复杂，故选用电流串联负反馈电路。
1.2设计任务
设计一种电压电流转换电路,实现不同区间电压电流的转换。
1.3设计要求
输入为0-5V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；
输入为0-10V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；
输入为-10V-+10V直流电压，输出为4-20mA的直流电流。
2电路设计方案
2.1电压电流转换器电路的主要组成框图
在此次课程设计中，设计思路是第一步首先将电压放大一定倍数，然后通过运放将电压转换为相应的电流，电压电流转换器电路的主要组成框图如图1所示
图1电压电流转换器电路的主要组成框图
2.2电压电流转换器电路的原理
在本次设计中，需要实现正向直流电压.向正向直流电流的转换以及负向直流电压向正向直流电流的转换。
因而需要分步考虑设计电路。
首先，输入为0-5V直流电压，输出为0-10mA的直流电流。
输入为0-10V直流电压，输出为0-10mA的直流电流。
可一起考虑，设计一个电压电流负反馈电路，然后调整电阻阻值即可实现上述两步。
然后，输入为-10V-+10V直流电压，输出为4-20mA的直流电流。
这是本次课程设计的重点。
在设计中，将其先通过一个电压串联负反馈电路将电压放大，然后经过一个电压电流转换器将其转换为相应的电流输出。
2.3电路主要组成结构
2.3.1电压串联负反馈电路
这种组态中，反馈网络的输入端口与基本放大电路的输出端口并联连接，而反馈网络的输出端口与基本放大电路的输入端口串联连接。
电压负反馈的重要特点是具有稳定输出电压的作用。
电压负反馈能减小
受
等变化的影响，说明电压负反馈放大电路具有良好的恒压输出特性。
电压负反馈放大电路如图2所示。
图2电压串联负反馈电路
2.3.2电流串联负反馈基本电路
电流负反馈的特点是维持输出电流基本恒定，当电路中
一定，由于负载电阻
增加使输出电流减小时，引入负反馈后，电路将自动进行调整。
因此，电流负反馈具有近似于恒流的输出特性。
电流串联负反馈基本电路如图3所示。
图3电流串联负反馈基本电路
3元器件选择及单元电路的参数设计
3.1元器件介绍与选择
3.1.1UA741C运算放大器
uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。
这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。
这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
图4UA741C运算放大器管脚图
uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：
1和5为偏置（调零端），2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输
出，7接电源，8空脚。
3.1.2运算放大器选择
在此次课题设计中，运算放大器选择UA741C。
uA741C是通用运算放大器，是单运放。
具有宽输入电压、低功耗的特点。
设计中第一个运放为电压放大器，可以利用uA741C宽输入电压的特点。
UA741C在实际应用中也比较普遍。
3.2单元电路的参数设计
3.2.10—5V转换0—10mA电路的参数设计
0—5V转换0—10mA通过一个电压串联负反馈电路来实现，
=500Ω。
设运放输出电流为
依据运放虚短、虚断的特点
=
（1）
=
=0
（2）
得500
=5V
=10mA
=500Ω
3.2.20—10V转换0—10mA电路的参数设计
0—10V转换0—10mA通过一个电压串联负反馈电路来实现，
=1000Ω。
设运放输出电流为
依据运放虚短、虚断的特点，由公式
（1）、
（2）
得1000
=10V
=10mA
=1kΩ
3.2.3-10V—10V转换4—20mA电路的参数设计
第一个运放为电压放大器。
设输入电压
输出电压
，则
=（1+
/
）
（3）
因为芯片UA741C上所加
=+15V，
=-15V,输出电压不可能超过其范围，输入电压范围-10V—10V，故令
/
=2/5,取
=50kΩ,
=20kΩ。
第二个运放为电压电流转换器，为一个电流串联负反馈电路。
第一级的输出Vo1为第二级的输入。
根据基尔霍夫电流定律，对于同一个结点，流入电流等于流出电流
（
-
）/
=（
-
）/
（4）
=
=500
（5）
根据课题设计要求，第一级运放输出电压Vo1为第二级的输入电压。
选择两组输入电压代入公式（4）、（5），可求得
、
的比例关系。
=2.5
。
取
=500Ω，则
=200Ω。
再代入公式（4）、（5），即可求得
=8.4V。
是一个外加固定直流电压源。
它的作用是当输入电压
=0时，保证输出12mA的电流。
另外，当输入电压
不为0时，它能够协同输入电压输出正常的输出电流。
3.3直流稳压电源的设计
3.5.1设计技术指标
要求电源输出电压为±12V（或±9V /±5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为
=500mA，纹波电压△VOP-P≤5mV，稳压系数
≤5%。
3.5.2 电路的设计
直流稳压电源电路框图如图6所示。
从图中可知，系统由降压变压器、整流器、滤波器和稳压器共四个部分组成。
图6直流稳压电源结构图
降压的过程，直接选用实物降压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器，具体情况根据实际需求而定。
在此次我们选用的是12V变压器。
然后是整流过程，自然而然选择了优点突出的桥式整流电路，它由4只二极管构成，连接方法此不做说明，在以后的原理图中将做详细的说明。
对于滤波过程，我们用电容滤波电路来实现，它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成一个电容滤波电路。
最后的稳压器选择，选择了集成电路，又根据任务书中的提示，选择了三端可调输出集成稳压器，它主要由两个电解电容以及两个五个二极管和若干电阻和电容构成，具体不再介绍，后面的原理图将会给出三端可调输出集成电路的构成图。
3.5.3变压器的选择
根据三端固定式集成稳压器的特点，一般要求最小的输入电压、输出电压为
所以可取的输出电压为12V的变压器。
3.5.4整流器的选择
稳压源设计要求最大输出电流为I0max=500mA，整流二极管的参数应满足最大整流电流I＞1.5I0max=0.75A，最大反向电压应大于变压器副边输出电压
。
3.5.5电容的选择
（1）滤波电容
（6）
由式（6）可得滤波电容可等于式（7）
（7）
式中RL为C右边的等效电阻，应取最小值，T为电流电源的周期。
RL最小值可由公式（8）算出。
（8）
将T=20ms,Imax=500mA代入式（8），可得
。
将
，T=20ms再代入（6）式，得出C=1515μF。
可见，C容量较大，应选电解电容，实际容量选4700μF，其耐压值为35V。
（2）消振电容：
消振电容靠近滤波器，起消振作用，一般选择消振电容电容值为0.01μF。
（3）旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般选择旁路电容电容值为220μF。
3.5.6电阻的选择
由于输出的电压分别+12V-12V+5V-5V发光二极管两端的电压在2V左右所以与之串联的电阻分别为
，
，
，
，
，
。
3.5.7选择三端稳压器
设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生±12V、±9V、±5V三组直流电压输出。
故选固定三端稳压器LM7812、LM7912、LM7809、LM7909、LM7805、LM7905。
4电路仿真
4.1仿真电路图
4.1.10—5V转换0—10mA电路仿真图
根据理论计算确定的参数画出仿真电路图如图7所示
图70—5V转换0—10mA电路
4.1.20—10V转换0—10mA电路仿真图
根据理论计算确定的参数画出仿真电路图如图8所示
图80—10V转换0—10mA电路
4.1.3-10V—10V转换4—20mA电路仿真图
根据理论计算确定的参数画出仿真电路图如图9所示
图9-10V—10V转换4—20mA电路
4.2仿真结果
0—5V转换0—10mA电路仿真结果如图6所示，当输入5V时，仿真测试输出结果为9.999mA，与10mA近似相等。
0—10V转换0—10mA电路仿真结果如图7所示，当输入10V时，仿真测试输出结果为9.999mA，与10mA近似相等。
-10—10V转换4—20mA电路仿真结果如图8所示，当输入0V时，仿真测试输出结果为11.999mA，与12mA近似相等。
5电压电流转换器的组装与调试
5.1组装
5.1.1电路原理图的验证
电路的组装是本次课程设计的一个重要组成环节，它是对我们动手的一次考验。
开始组装前通过查阅资料和运用所学的理论知识设计出本次电压电流转换器电路的总的电路原理图，并通过电路仿真软件Multisim对所设计的原理图进行仿真实验，通过仿真实验证明所设计的电路原理图符合本次设计的要求。
5.1.2电路的组装
电路原理图验证合格后就开始了电路的组装过程，由于电路的连接相当复杂，怎样很好的减少连接导线交叉问题的关键就是元件的合理布局，因此，开始焊接元件之前先对元件进行合理的布局，然后再动手焊接。
电路焊接按照一级一级的往下组装，首先是连接电压放大器电路，电压放大器电路是由一个集成运算放大器组成的，它的作用是将输入电压放大。
焊接时从芯片的6号引脚作为输出端，3号引脚作为输入端，4号引脚接-16V电源，7号引脚接+16V电源。
6脚输出另接电阻
20kΩ，
一方面连接到运放反相端，一方面接电阻
50KΩ,
接地。
其次是电压-电流转换电路，它也是由集成芯片UA741C和其外接电路组成，芯片的6号引脚作为输出端，3号引脚作为输入端，4号引脚接-16V电源，7号引脚接+16V电源。
由于设计要求，当输入为0V时，输出12mA，故给运放附加一个外接电源
=8.4V。
电路中，共包含三个外接电源，另外+16V，-16V电源给芯片供电。
包含两个单刀双掷开关，控制三个档位。
至此，电路组装完成。
5.2电路的调试
电路组装完成后紧接着就是电路的调试。
在开始调试之前，首先要做的是检查焊接时有没有短路的地方，以防接通电源后烧毁芯片。
检查电路无误后接通电源，用直流稳压电源输入5V的电压，将开关掷向500，用直流电压表测量输出端的电压。
电压为5V，则电流为10mA。
将开关掷向1k，用直流电压表测量输出端的电压。
电压为5V，则电流为5mA。
至此，已完成输入为0-5V直流电压，输出为0-10mA的直流电流；输入为0-10V直流电压，输出为0-10mA的直流电流两个档位的调试。
将两个开关分别掷向500和R6端，开始输入为-10V-+10V直流电压，输出为4-20mA的直流电流的调试。
在实际操作中，因电压表测试问题，需要对输入电压V2作略微的调动以满足输出的准确性。
经测试，设计电路符合要求。
-10—10V转换4—20mA的测量结果与理论值如表1所示
输入
/V
输出
/V
输出
/mA
输出
/V
输出
/mA
-10
2
4
2
4
-9
2.3
4.6
2.4
4.8
-8
2.8
5.6
2.8
5.6
-7
3.25
6.5
3.2
6.4
-6
3.5
7
3.6
7.2
-5
4
8
4
8
-4
4.4
8.8
4.4
8.8
-3.2
4.75
9.5
4.72
9.44
-2
5
10
5.2
10.4
-1
5.6
11.2
5.6
11.2
0
6
12
6
12
1
6.45
12.9
6.4
12.8
2
6.8
13.6
6.8
13.6
3
7.3
14.6
7.2
14.4
4
7.6
15.2
7.6
15.2
5
8
16
8
16
6
8.4
16.8
8.4
16.8
7
8.8
17.6
8.8
17.6
8
9.1
18.2
9.2
18.4
9
9.55
19.1
9.6
19.2
10
10
20
10
20
表1-10V-10V/4-20mA电压电流转换器测量值与理论值（
=8.4V）
0—10V/0—10mA的测量结果与理论值如表2所示
输入
/V
输出
/V
输出
/mA
输出
/V
输出
/mA
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
5
5
5
6
6
6
6
6
7
7
7
7
7
8
8
8
8
8
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
表20V-10V/0-10mA电压电流转换器测量值与理论值
0—5V/0—10mA的测量结果与理论值如表3所示
表30V-5V/0-10mA电压电流转换器测量值与理论值
输入
/V
输出
/V
输出
/mA
输出
/V
输出
/mA
0
0
0
0
0
1
1
2
1
2
2
2
4
2
4
3
3
6
3
6
4
4
8
4
8
5
5
10
5
10
5.3误差分析
（1）电阻元件阻值并不精确，存在少许误差。
（2）线路板布线太近，导致元件相会之间的干扰。
（3）测量时万用表读书不准。
结束语
在本次课程设计中，按照设计要求设计三个档位的电压电流转换器，将输出电压作为测量技术指标，进一步推算至相应的电流。
经仿真测试及调试，验证了设计的正确性。
电路设计简单，能实现电路的基本功能。
另外，本次设计也存在不足之处，设计中采用了电压放大器电路，由于输入电压区间较大，所需芯片供电电源也越大，给芯片本身增加了烧毁的可能性。
通过此次的课程设计，相信在以后的设计中会考虑的更加全面。
参考文献
［1］康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）［Ｍ］.北京：
高等教育出版社，
［2］许晓华，何春华.Multisim10计算机仿真及应用［Ｍ］.北京：
北京交通大学出版社，
［3］熊幸明.电工电子实训教程［Ｍ］.北京：
清华大学出版社，
［4］王渊峰.AltiumDesigner10电路设计标准教程［Ｍ］.北京：
科学出版社
致谢
作为大二学生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。
所以在这里要忠心的感谢指导我理论学习的老师，他们给予了我很多学习经验和技巧，以及与我一起学习和作课程设计的各位同学，他们给了我许多建议和意见。
在这次设中我们克服了许多困难，最后将设计圆满的完成。
附录1元器件清单
电压电流转换器元件清单
类别代号型号数量
741运算放大器
OPAMP_3T_BASIC2个
排针若干
单刀双掷开关
2个
电阻
1kΩ1个
电阻
、
500Ω2个
电阻
200Ω1个
电阻
50kΩ1个
电阻
20kΩ1个
直流稳压电源电路元件清单
类别型号数量
12V变压器1
电源芯片7812,7912,7809,7909,7805,79056
发光二极管6
散热片6
6脚开关1
电容0.01μF8
电解电容220μF6
电解电容4700μF2
桥式整荡器1kΩ1
插头1
排针8
电阻1kΩ2
电阻680Ω2
电阻470Ω2
附录2电路原理图
直流稳压源原理图
电压电流转换电路原理图
附录3PCB图
直流稳压电源PCB图
电压电流转换电路PCB图
附录4电路实物图
电压电流转换器实物图
直流稳压电源实物图
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