基于运算放大器的电流环设计

目录TOC\o"1-5"\h\z第1章摘要5第2章引言5第3章基于运算放大器的电流环设计53.1电流环理论分析53.2电路图设计63.3计算过程9第4章基于运算放大器的电流环的性能测试114.1Mutisim实验及实验记录114.2实验结果分析13第5章心得体会14参考文献14燕山大学课程设计说明书燕山大学课程设计说明书1010第#页共14页第1章摘要本文介绍了一种基于运算放大器的电流环的设计方案，简要的介绍了电流环的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该电流环的参数设计和制作过程，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该电流环的工作特性与性能，给出了仿真数据。论证了该电流环的可行性。该电流环性能良好，电路线路简单，易于实现，具有很高的实际应用价值。第2章引言在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4~20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。一般传感器会把一个物理信号利用电桥等转化为与之对应的电信号，比如电压或电流。当然要产生4-20ma的电流信号，则把电压信号利用放大电路进行变换之后肯定是能做到的。如果传感器直接出来的是电流信号，则可以先变为电压信号，再经过信号调理电路肯定还能转换到4-20ma的电流信号。第3章基于运算放大器的电流环设计电流环理论分析电流环通常包括传感器、发送器、接收器和ADC或微控制器。传感器用于测量物理参数（如压力或温度），提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成4〜20mA电流信号；接收器则将4〜20mA电流转换为电压信号，ADC或微控制器将接收器的电压输出转换成数字信号。电流环中，信息通过电流调制信号进行传输。对于4〜20mA系统,4mA通常表示传感器的零输出，20mA表示满量程输出。很容易区分环路断路(0mA，故障状态)与传感器的零输出(4mA)。与电压调制信号相比，电流环从本质上具有更高的抗干扰能力，非常适合嘈杂的工业环境。信号可以长距离传输，信息能够发送到远端或从远端接收。通常情况下，传感器远离系统微控制器所处的控制中心。比较复杂的系统包括从微控制器或DSP到激励源的另一电流环。DAC将数字信息转换成模拟电压信号。电流环发送器将DAC输出电压转换成驱动激励源的4〜20mA或±20mA电流信号。电网监测系统也存在类似应用，通过成熟算法确定系统的当前状态，预测系统变化方向，并通过控制环路动态调整系统。电路图设计R5VR3ARLR7R1R2AR5VR3ARLR7R1R2A//-R4图1.VI转换电路

如图所示，该电路为电流环的核心电路，主要功能是实现VI转换，将输入的0-2.5V电压转换为4-20mA的电流。这个电路分为两个模块，分别是基于运算放大器的加法器和howland电流泵，分别介绍如下：AR1RDCVR3vR4AR1RDCVR3vR4R2BR2A图2.howland电流泵电路图右侧的模块为一个howland电流泵，此模块按照课本《基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计》中的howland搭建。此模块中电桥平衡条件为(R4/R3)=(R2A+R2B)/R1当这个条件满足时，负载看过去的总输入电阻R=^o现在的传递特性是输出电流i=(R2/R1)VI/R2B。除了增益项R2/R1之外，现在灵敏度是由R2B设定的，R2B能够按需要做的很小，而剩余的电阻都保持高的阻值益节省功率。电压柔量近似为|vi|〈=|V|-R2B|i|。由于Howland电路既使用正反馈又使用了负反馈，所以在某些条件下它们可能成为振荡型的。用两只小电容(一般在10pF量级)与R4和R1并联通常就足够以在高频域使负反馈超过正反馈，从而使电路稳定。而我们的电路输入是直流量，不需要对其进行考虑。左侧的模块为一个求和放大器。V=-{(R8/R7)V1+(R8/R6)V2}。在电路中，V1为15V直流电源，保证在V2=0的时候可以为右端的模块提供电压，使电路输出4mA电流，V2作为0——2.5V电压输入端。综上得出图1电路的传递函数为R7R7*V+VT_R5refR6I—OR2B详细推导过程如下：由图1加法器模块的RRV=一一*V+—*vRrefR156由图1howland电流泵模块的2B•-总电路的传递方程为R7R7*V+VI_R5refR61o_R2B计算过程参照图1计算过程2B令R_R_R_R_1OK0,R_R+2B123422A假使R2B上最大电压为2V,此时电流为20mA。2V则R==10002B20mA•R2a_10K。一1009.9K0

由于要求电流变化范围是4—20mA•••V的变化范围是-Rx(4-20mA)=-0.1KQx(4-20mA)=-0.4—2V.•.当V=0V时,I当V=2.5V时,I有V.•.当V=0V时,I当V=2.5V时,I有V=—0.4—1(R]IR5丿(R]IR6丿x15=—0.4；x2.5=-2R7解以上两式有R50.44R=，715150R61.62.516256.25=4KQ，贝Ur=150KQ,5R=6.25KQ6综上可得R=R=R=10KQ；134R=9.9KQ,R=1000；2A2BR=150K0,R=6.25K0；56R=4K07电路参数：R6=6.24KQRl=10KQR3=10KQR4=10KQR5=150KR6=6.24KQR2A=9.9KQR2B=100Q

第4章基于运算放大器的电流环的性能测试4.1Mutisim实验及实验记录Mutisim实验仿真电路图为Xl-fl-flXl-fl-fl图4.Mutisim仿真电路图测试中，通过调整VI的数着，测得并记录万用表的输出电流。实验仿真记录如下表所示。

表1.仿真结果数据表VI00.250.50.7511.25理论值45.67.2&810.412仿真值45.997.199&79910.39811.998VI1.51.7522.252.5理论值13.615.216.818.420仿真值13.59715.19716.79718.39619.996实验记录图如下所示，其中横轴为仪器记录时间，左数轴为电压轴记录输入电压的变化，右数轴为电流轴记录输出电路的变化，从图中可以看出输入电压为通过原点的直线，输出电流图线不通过原点。IDIIIIIIIIIDIIIIIIIII/LOmA.圈瓦奚暑记录囲4.2实验结果分析由实验记录数据表及图像做出电流随输入电压变化的图像如下所示：252015105252015105图6.电流随输入电压变化图像图中，横轴表示输入电压，纵轴表示输出电流，红线代表输出电流随输入电压变化的理论值，蓝线代表实验测得值，从图中可以看到红线跟蓝线基本重合从仿真结果和结果比较可以看出在输入电压范围为0〜2.5V时，输出电流基本符合计算的结果，仪器误差不超过0.05%，符合实验要求，可以看出此设计的可行性。结论电流环被广泛用于需要将信息从远端传感器传输到中央处理单元，或从中心单元传输到远端传感器的工业应用。实验证明，该电路非常适合将传感器或DAC输出的电压信号转换成4〜20mA的控制环应用，符合应用设计要求。第5章心得体会这次课程设计，从一开始查找资料，设计电路图，计算参数，然后用multisim软件进行仿真。整个流程下来，真正的感受到了想和做的区别。光有想法还不够，想法的实现往往会遇到许多问题，实施的过程才是最困难的。计划进度的安排，和同组间的交流合作，都是和重要的。在这次结组课程设计中，我充分体会到了团队工作的优点和益处，同组同学的方案和建议，使得电路在较短时间内得以搭接出来，在仿真中遇到的问题也很快得到解决。由于首次进行应用测控电路的课程设计，很多知识还远未做到灵活的学以致用，导致电路没有尽善尽美，这和我的实际能力是有关系的