电流电压转换电路.doc

(完整word版)电流电压转换电路

模拟电路课程设计报告

设计课题： 电流电压转换电路

题目
一、设计任务与要求
1.将4mA～20mA的电流信号转换成±10V的电压信号，以便送入计算机进行处理。这种转换电路以4mA为满量程的0％对应－10V，12mA为50％对应0V，20mA为100％对应＋10V。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。二、方案设计与论证
题目要求之一：要求将4mA~20mA的电流信号转换成为±10V的电压信号，可以在集成运放引入电压并联负反馈，从而达到电流-电压转换。
题目要求之二：要求用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的±12V直流电源。我们知道直流电源可由四部分构成，变压器，桥式整流电路，电容滤波电路及集成稳压电路构成。通过对各元器件参数的计算及电路的组合分析可初步定制出原理图。
方案一:
(一)：设计一个第一级增益为1的差动输入电路，第二级增益为2.5的电路。
其原理图为：

（二）桥式整流电容滤波集成稳压块正负直流电源电路设计（±12V）。
根据其设计流程图：

我们分别设计出其四个部分的电路图，再经过组合得到其总原理图为：
方案一总结：优点：精确，操作方便。缺点：一些2K电位器不易买到但可以用5K代替。
方案二:（一）其原理图为：（二）直流源设计同方案一
方案二总结：优点：电路虽较简单，缺点：器材不容易买到，像运放OP4558,温度补偿性二极管，很容易操作。
通过对2个方案的比较分析，我们选出了最优的方案——方案一。
4~20 mA电流提供部分也有两种方案：
方案一：电压源串联一电阻:
电路如图

优点：可提供一定电流，缺点：误差很大，不能直观读出电流值。
方案二：用VCCS受控源提供电流：
电路如图：

优点：可通过调节电位器得到较大范围电流，并直观读出。误差很小。缺点;接线方面不太稳定。
综合参考：选方案二产生电流源电路

三、单元电路设计与参数计算
（一）第一级电流的计算；

由于设计要求是要把4mA~20mA的电流转换成电压，所以要提供电流源。可以用制作的直流源与一电位器串联，通过调节电位器从而达到所需的电流。
I=U/R,当I=4mA时，R=U/I=12V/4mA=3000Ω;当I=20mA时，R=12V/20mA=600Ω. 所以只要调节电位器的阻值在600Ω~3000Ω之间就可以达到电流4mA~20mA。
选择电位器R7为10K的电位器，R1=500Ω可由二只1KΩ电阻并联实现。这样输入电流4mA对应电压2V，输入电流20mA对应电压10V。A1设计增益为1，对应输出电压为-2V~-10V.
(二)第二级的计算：

因为第一级电压变化范围为-2-（-10）=8V.
而最终输出应为-10V~+10V，变化范围10V-(-10V)=20V，故A2级增益为20V/8V=2.5倍，又输入电流为12mA时，A1输出电压为-12mA×0.5mA=-6V.此时要求A2输出为0V。故在A2反相输入端加入一个+6V的直流电压，使 A2输出为0。A2运放采用反相加法器，增益为2.5倍。取R3=10K,R4=10K,R6=25K(可以用100K的电位器进行调节，所以选择100K的电位器)
反相加法器引入电压为6V，可以用一电位器与12V的电源串联分压，从而达到所需的6V. R5=R6//R3//R4=10KΩ
（二）桥式整流电容滤波集成稳压块正负直流电源电路设计（±12V）。
直流源四个组成部分分析：
1、电源变压器。
其电路图如下：

由于要产生±12V的电压，所以在选择变压器时变压后副边电压u2应大于24V，由现有的器材可选变压后副边电压u2为15V的变压器。
2、整流电路。
其电路图如下：

桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
3、滤波电路。
其电路图如下：

滤波电容容量较大，一般采用电解电容器。
电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。
滤波电路输出电压波形如下：

4、稳压电路。
我们知道，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。调成管决定输出电压值。由于本课程设计要求±12V 的输出电压，所以我们选用7812和7912的三端稳压管

5．电流转换电压原理及相关参数计算：
（1）图中A1运放采用差动输入，其转换电压用电阻R1两端接电流环两端，阻值用500欧姆。可有两只1K电阻并联实现 ，这样输入电流4mA对应电压为2V。输入电流20mA对应电压10V。
（2）A1设计增益为1，对应输出电压为-2V~-10V.故要求电阻R2,R3,R4和R5+RW阻值相等。选R2=R3=R4=10K,选R5=9.1K,RW1=2K,RW1用于调整电阻元件不对称造成的误差，使输出电压对应在-2V~-10V,变化范围8V.
（3）而最终电压输出应为-10V~10V.变化范围是20 V。故要求A2级增益为2.5倍。又输出电流为12 mA时A1输出电压为-6V，此时要求A2输出为0V，故在A2反相输入端加入一个+6V的直流电压，使A2输出为0。
（4）A2运放采用反向加法器，增益为2.5 倍，取R6=R7=10K,R9=22K,RW2=5K,R8=R6‖R7‖R9=4K.取标称值R8=3.9K。
（5）反相加法器引入电压6V,通过稳压管经电阻分压取得，稳压管可选电压管介于6~8V间的系列，取6.2V.
（6）工作电流定在5mA左右。电位器电流控制在1~2 mA
Irw3=6.2/2=3.1,R10=12V-V2/I2+IRW3=0.71K.取标称值R10=680欧姆，式中12V为电路工作电压。
（7）RW2用于设置改变增益或变换得斜率（4毫安对应-10V,20毫安对应+20V）调整RW2使变换电路输出改变满足设计要求。
四、总原理
总原理图
（一）电流电压转换电路

（2）桥式整流电容滤波集成稳压块±12V直流电源

2．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注（单价:元）
R1，R2

1K
3
0.1
R2,R3,R4,R6,R7

10K
5
0.1
R10

680欧姆
1
0.1
R9

22K
1
0.1
R8

3.9K
1
0.1
RW1,RW3

2K 电位器
2
0.8
RW2

5K 电位器
1
0.8
RW4

1K 电位器
2
0.8
RW1

10K 电位器
1
0.8
C1,C2

3300 uF
2
0.5
C3,C4

0.47 uF
2
0.3
稳压管

6.2V
1
0.6
C5,C6

1 uF
2
0.2
C7,C8

220 uF
2
0.2
D1 D2 D3 D4 D5
In4007

6
0.2
D7 D8

2
0.2
变压器

U2=±15V
1

三端稳压管
W7812 W7912
Uo=±12V
2
1.5
五、安装与调试
(一)安装
依据已设计出的电路图，合理地在电路板上布局，拉线。在安装的过程中注意以下几点：
1、大电解电容的正负极不能接反；
2、uA741的各管脚不能接错；
3、三端稳压管三个端的作用一定要分清；
4、焊时拉线要直，焊点应均匀。
（二）调试
Ⅰ、直流源动态调试
将变压器插头插至220V交流电后，开始测变压器的副边电压U2及滤波输出电压U1、U2还有稳压管输入电压Ui1和Ui2，最后测试Uo1和Uo2。这几个步骤应按顺序进行，若其中某一个步骤出现问题，应及时停下进程，切断电源，查找和想法排解故障。
Ⅱ、电流电压转换电路动态调试
1、先用仿真软件将原理图仿真，观察其是否符合理论结果。仿真结果如下：

可知原理图符合实验要求，达到预期结果
六、性能测试与分析
(一)直流源性能测试与分析
Ⅰ、直流源性能测试
在调试成功后，我们开始测试直流源各组成部分的输入及输出电压。具体过程如下：
a、用万用表交流档测试副边电压U2，结果：U2+=14.9 V，U2-=-15V;
b、用万用表直流档测试滤波输出电压，结果：Uo+=17.8V，Uo-=-17.9V;
c、用万用表直流档测试稳压管输入电压，结果：Uo+=17.8V，Uo-=-17.9V；
d、用万用表直流档测试稳压管输出电压，结果：Uo+=11.8V，Uo-=-11.9V；
Ⅱ、直流源数据处理及误差分析：
1、 数据处理：
理论值：变压器的副边电压： U2+=+15V U2-=-15V；
滤波输出电压： Uo+=+18V Uo-=-18V；
稳压输入电压： Uo+=+18V Uo-=-18V；
稳压后输出电压： Uo+=+12V Uo-=-12V。
变压器副边： η1=|14.9-15|/15×100%=0.667%
滤波输出（稳压输入）：η2＝|17.8-18|/18×100%=1.11%
η3＝|-17.9+18|/18×100%=0.56%
稳压电压： η4=|11.8-12|/12×100%=1.58%
η5=|-11.9+12|/12×100%=0.56%
2、误差分析：a、焊接技术不够成熟，导致电路板没达到理想结果；
b、实验仪器不够精确；
c、电子元件制作不精良；
d、实验者读数时不仔细引入实验误差；
（二）电流电压转换电路性能测试与分析。
I. 电流电压转换电路性能测试
1.数据处理
输入电流(mA)
第一级输出电压理论值（V）
第一级输出电压实际值(V)
第二级输出电压理论值(V)
第二级输出电压实际值(V)
4
-2
-2.04
-10
-9.9
5
-2.5
-2.62
-8.75
-8.65
6
-3
-2.95
-7.5
-7.35
7
-3.5
-3.4
-6.25
-6.2
8
-4
-3.9
-5
-6.5
9
-4.5
-4.44
-2.25
-2.18
10
-5
-4.96
-1
-1.1
12
-6
-5.88
0
0.05
15
-7.5
-7.4
3.75
4.9
20
-10
-9.87
10
9.8
当I=4 mA时，E0=|-9.9-（-10）|/10×100%=1%
当I=5 mA时， E0=︳-8.75+8.65︳/8.75=
当I=6mA时， E0=︳-7.5+7.35︳/7.5=
当I=7mA时， E0=︳-6.25+6.2︳/6.25=1.14%
当I=8mA 时， E0=︳-5+6.5︳/5=30%
当I=9 mA时， E0=︳-2.25+2.18︳/2.25=3.11%
当I=10 mA 时，E0=︳-1+1.1︳/1=10%
当I=12 mA时，E0＝|-0.05-0|/0×100%=0
当I=15mA时，E0=︳4.9-3.75︳/3.75=33.3%
当I=20 mA时，E0＝|9.8-10|/10×100%=2%
2．误差分析
a、直流电源提供的不是标准的对称的正负12V的电压
b、焊接技术不够成熟，导致电路板没达到理想结果；
c、实验仪器不够精确,集成运放不是理想的；
d、电子元件制作不精良；
e、实验者读数时不仔细引入实验误差
七、结论与心得

很早就开始准备了，作品出来后替自己感到骄傲。俗话说：态度决定一切，真的很对，毕竟一份耕耘一份收获。那几天几乎泡在阅览室了，早早的跑去占座位，关于电子设计方面的书还真不少，发现不同版本的设计各有千秋。我印象比较深的是：张友汉的《电子线路设计应用手册》版本中的设计采用对称式接线，但变压器属于一对二类型，我觉得不管从变压器来源和价格以及电路焊接方便来讲都会比较麻烦，再者它采用的是两个7812，未用到7912，不能很好的反映出78 系列与79 系列的管脚,接法 以及相对应电压特性。借鉴该原理图在此基础上稍做了修改，将控制-12伏电压值的稳压管换成7912，其实我挺有把握的，离测试时间还挺长，相应的电流电压转换方面的资料也查阅到了。这件事就隔了几天，我就是那种事先做好准备但又不到紧要关头不紧张的那种。呵呵、、、、、、是不是有点矛盾呢？过了几天，班上都开始着急了，毕竟这是入大学以来第一次作品，大家都追求完美，我觉得在这种班风下学习挺好的。原理图下来了，我对找了一下，与我之前自认为胜券在握的原理图差别挺大，比如说：在整流滤波的后阶段，用到的是2200 微法电容，稳压电路部分未用到220微法电容，还有负载，起确保电路电流经过电路的发光二极管。看来问题还挺大的，但心里还是挺欣慰，找出问题及时修改。好戏还在后头，在宿舍这个小家庭，有快乐也有竞争。听好玩的，我们都抓紧把电路板给焊出来，其中涉及二极管PN接判断啦，正向导通反向截止就不说了。7812管脚1 进2 出3 接地，7912管脚2 进3 出1 接地。在认真布局仔细焊接下作品出来了，到实验室测试数据大体接近，误差很小，我又对我的焊接技术给与肯定。星期三晚上测试挺紧张的，有点担心结果是数据还行，反倒因为万用表短接冒火花给吓着了。流程很顺利。
其实更值得高兴的是电流电压转换的设计，第一个方案设计只采用了一个运放RC4558，看似简单，没想到市场上很难买到，还有IS2190 温度补偿性二极管。我那几天心急如焚，最后请教几个学长。直接用UA741代替也行哦。电路板是给焊出来了，我一直在想那个问题，用什么提供电流源。用电压源串联电阻实现，是个办法。结果给烧坏了电阻，老师直接批评这种方法不好。有两点：误差较大；不能直观读出电流。老师到给了一个妙招；用VCCS电路提供电流源。结果弄了挺久，为什么，最大也只能提供15毫安电流。待实验室不停的疑惑 ，接错线了？NO,原来老的目的还是那个：得好好考考你们，终于我还是想出来了。在运放输入端并联1 k 的电位器。结果可变电流可达30 毫安之多，成功了。真是一波三折。
设计如愿的完成了，总结这个过程，重要的一点是：做任何事情都要有准备，其次是坚持坚持再坚持，不断完善，追求完美。我估计78 79 系列会深深烙在脑海中，还有VCCS电路板。所以一分耕耘一分收获，机会垂青有准备的人。
由此实验可知，集成运放引入电压并联负反馈可以实现电流到电压的转换。
这个实验达到了设计要求，即1.将4mA～20mA的电流信号转换成±10V的电压信号，以便送入计算机进行处理。这种转换电路以4mA为满量程的0％对应－10V，12mA为50％对应0V，20mA为100％对应＋10V。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）

总之此次课程设计对我而言意义非凡，它让我找回了对此课程的兴趣，加深了我对理论知识的理解，强化我的动手能力。最后感谢曾老师在这个过程中对我们的帮助及耐心指导！

八、参考文献
1.张友汉 《电子线路设计应用手册》
2．童诗白、华成英 《模拟电子技术基础》第四版
3．彭介华 《电子技术课程设计指导》
4．王港元　　　 《电工电子实践指导》
5．高吉祥 《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》
6《电子线路设计、实验、测试》（第二版），谢自美主编，华中理工大学出版社（2000）
7．《电子技术课程设计指导》，彭介华主编，高等教育出版社（2000）
8．《555集成电路实用大全》，郝鸿安等主编，上海科学普及出版社
9．《电子技术基础实验研究与设计》，陈兆仁主编，电子工业出版社（2000）
10．《毕满清主编，电子技术实验与课程设计》，　　机械工业出版社。
11．《用万用表检测电子元器件》，杜龙林编，辽宁科学技术出版社（2001）
12.《新型集成电路的应用》，梁宗善，华中理工大学出版社（2001）
13《新颖实用电子设计与制作》，杨振江等编，西安电子科大出版社（2000）。

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表
专业：电子信息工程班级：09电信本学号090805030 姓名：杨艳萍
课题名称
电流电压转换电路

设计任务与要求
1.将4mA～20mA的电流信号转换成±10V的电压信号，以便送入计算机进行处理。这种转换电路以4mA为满量程的0％对应－10V，12mA为50％对应0V，20mA为100％对应＋10V。
2．用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）

设计报告成绩
评分标准：
①有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。（0-20分）
②电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。（0-10分）
③电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，进行了误差计算和误差分析。（0-15分）
④对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。 （0-5分）
设计报告成绩：

电子
作品成绩
评分标准：
①电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。（0-30分）
②电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。（0-20分）
(其中直流电源部分占20%，功能部分80%)
电子作品成绩：

课程设计成绩

总成绩：

指导教师：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2011年1月15日