电流-电压转换电路设计

浙江大学课程设计（2016学年第一学期）论文题目：电流-电压转换电路设计课程名称：FundamentalsofElectricCircuits任课教师：学号：姓名：完成日期：2017年1月9日成绩电流-电压转换电路设计摘要：本文通过设计电路以实现电流-电压转换的功能，并且不断地改进电路，提高电流-电压转换的性能。同时，通过Pspice对电路进行仿真，与理论数值相比较，来测试所设计的电路的性能和该电路的实际效果。关键词：电流、电压、转换，运放一：引言在工业控制和许多传感器的感应电路中，模拟信号输出时，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。但如果信号端增加电阻，就会使传输线路抗干扰性能降低，易受外界干扰。因此，电流-电压转换电路在信号技术，测量技术，通讯技术等领域内，有着非常重要的作用。本课程设计主要是对电流-电压转换电路的设计，并且在Pspice软件下对电路进行仿真，来检验设计结果。二：电流电压转换电路图原理及其仿真分析1.先设计一个最简单的电路，在实际应用中，对于不存在共模干扰的电流输入信号，可以直接利用一个精密的线绕电阻，实现电流-电压的转换，如下图;电路原理：稳压二极管是为了防止输入电流过大而导致输出电压过大而采取的保护措施，其反相击穿电压为3V，所以在没有击穿的情况下是电路的正常工作范围，输出电压为VRL=I1*（（R2+R3）||RL），所以当负载确定以后，可以得到输出电压。另外，图中R，C组成低通滤波器，抑制高频干扰，R3用于调整输出的电压范围。仿真测试：把电位器设置成R3=4kΩ，R2=1kΩ，RL=5kΩ，根据计算可得VRL=I1*（（R2+R3）||RL），即VRL=2.5*103*I。用Pspice对RL电压进行直流扫描仿真，仿真结果如下：I_I10A0.5mA1.0mA1.5mA2.0mA2.5mA3.0mA3.5mA4.0mA4.5mA5.0mAV(R1:2)0V1.0V2.0V3.0V仿真结果分析：由仿真结果可知，该电路在输入电流为0–5mA的范围内有效工作，输出电压基本满足上面的分析结果。但是当电流超过0.5mA时，输出电压遍发生了失真，不再满足上面分析的结果。总体来说，虽然该电路结构简单，但还是实现电流-电压的转换。不过该电路还是存在着比较大的缺陷，首先，当输入电流偏大时，输出电压遍不再根据上述公式变化，其次该电路输出电压随负载的变化而变化，使输入电流与输出电压之间没有固定的关系，若想要精确得到电流与电压之间的关系，必须先知道负载的电阻。因此，该电流-电路转换器只适合用于负载电阻已知并且变化不大，以及电流较小的场合。2.接下来对上述的电路进行优化，目标是设计出一个不受负载电阻影响的电流-电压转换器。因此加入了一个集成运放来解决这个障碍。电路设计如下图：电路原理:先将输入电流经过一个电阻，使其产生一个电压，再将电压经过一个电压跟随器，将输入、输出隔离开来，使其负载不能影响电流在电阻上产生的电压，然后经过一个电压跟随器输出。其中，C1滤除高频干扰。另外，如果把Rf改成可变电位器，即可调节放大倍数。经过对电路的计算，可得该电路的输出电压为：V0=I1*R1*（1+Rf/R3）仿真测试：设置R1=200Ω，R3=100kΩ，Rf=150kΩ，因此，理论上V0=500*I1。接下来用Pspice对该电路进行仿真。I_I10A5mA10mA15mA20mA25mA30mA35mA40mA45mA50mA55mA60mAV(V0)V(V0)0V4V8V12V仿真结果分析：用Pspice对电路进行直流扫描，所得结果如上图，当输入电流在0~20mA时，输出电压在0~10V。符合理论预测值：V0=500*I1。当输入电流大于25mA时，电路开始失真，输出电压不再符合上述公式。该电路与第一个设计的电路相比较，该电路修复了第一个电路所具有的输出电压随负载的变化而变化的弊端，该电路的输出电压不再受负载电阻的影响。但又因为该电路中使用了运算放大器，因此输入电流存在上限值。三、总结在这次的课程设计中，我主要设计了两种电流-电压转化电路，第一种电路结构很简单，用到的都是基本电路元件，可以实现简单的电流-电压的转化，但是该电路存在一个缺陷，就是当负载电阻发生改变的时候，电压与电流的关系就会发生改变。因此该电路适合用于负载电阻已知的场合。第二种电路引入了一个运算放大器，解决了电压会随负载变化而变化的关系，并且可以通过Rf的值来改变电压与电流的比例关系，相对于第一种有了很大的改进。不过，这两个电路都存在着输入电流存在上限值的缺点。