在工业控制和许多传感器应用电路中,模拟信号输出通常是电压输出。
当模拟信号通过电压长距离传输时,信号源电阻或传输线的直流电阻可能导致电压衰减,信号接收端的输入电阻越低,电压衰减越大。
为了避免传输过程中信号的衰减,只增加了信号接收端的输入电阻,但增加了信号接收端的输入电阻,降低了传输线的抗干扰性能,外部干扰容易,信号传输不稳定,传输距离远。
当信号为模拟信号时,不能使用电压输出模式,电压输出转换为电流输出。
在许多其他传统工业仪表中,电流模式匹配还需要输出将电压输出转换成电流输出。
V / I转换器将电压输出信号转换为电流输出信号,这有利于信号的长距离传输。
V / I转换器可以由诸如晶体管的各种器件组成。
结构分析电压/电流转换,即V / I转换,将输入电压信号转换为满足特定关系的电流信号。
转换后的电流相当于输出可调恒流源,其输出电流应能保持稳定,而不会随负载变化而变化。
通常,电压 - 电流转换电路通过负反馈的形式实现,负反馈可以是电流串联负反馈或电流并联负反馈。
电路如下。
电路示例V / I转换原理如图所示。
从图中可以看出,电路中的主要元件是运算放大器LM324和晶体管BG9013以及其他辅助元件,V0是偏置电压,Vin是输入电压,即要转换的电压,以及R是负载电阻。
运算放大器用作比较器,并将正相端电压输入信号与反相端电压V-进行比较,并由运算放大器放大,然后由三极管放大。
BG9013的发射极电流Ie作用于电位计Rw。
放电特性称为:V- = Ie·Rw =(1 + k)Ib·Rw(k是BG9013的放大系数)流过负载R的电流Io,即BG9013的集电极电流相等到k·Ib。
令R1 = R2,则V0 + Vm = V + = V- =(1 + k)Ib·Rw =(1 + 1 / k)Io·Rw,其中k“1,所以Io≈(Vo + Vin)/ Rw 。
从上述分析可以看出,当偏置电压和反馈电阻Rw恒定时,输出电流Io的大小与输入电压Vin成正比,并且与负载电阻R的大小无关,表明良好电路的恒流性能。
当Vin = 0时,改变V0的大小会改变Io的输出。
当V0恒定时改变Rw的大小可以改变Vin和Io之间的比例关系。
从Io≈(V0 + Vi)/ Rw的关系也可以看出,当确定Vin和Io之间的比例关系时,可以方便地确定偏置电压V0和反馈电阻器Rw。
例如,将0~5V电压转换为0~5mA电流信号可使V0 = 0,Rw =1kΩ,其中Vo = 0相当于直接接地。
如果将0~5V电压信号转换为1~5mA电流信号,则可以确定V0 = 1.25V且Rw =1.25kΩ。
类似地,如果将4~20mA电流信号转换成1~5mA电流信号,则根据上述关系,只能将4~20mA转换成电压来确定V0和Rw的参数大小。
其他转换可以类比化。
为了在输入和输出之间获得良好的线性对应关系,应特别注意元件的选择,例如输入电阻R1和R2以及反馈电阻Rw。
应使用低温漂移精密电阻器或精密电位器。
焊接前必须准确测量元件。
并仔细调整以获得最佳性能。
我们在许多实际应用中进行了测试,上述转换电路的最大非线性失真一般小于0.03%,转换精度符合要求。