CN101349927B - 一种电压-电流转换电路及应用这种转换电路的程控电流源 - Google Patents

Abstract

一种电压-电流转换电路及应用这种转换电路的程控电流源，它涉及电子线路领域及电流源领域。本发明解决了现有电压-电流转换电路输出电流的变化范围小、不能双向输出和程控电流源精度低及体积过大而无法进行嵌入式开发的问题。一种电压-电流转换电路，运放A₁的正输入端通过电阻R₂与运放A₂的负输入端和运放A₂输出端连接，运放A₁的输出端与运放A₃正输入端连接并通过采样电阻R_s1与采样电阻R_s2的2脚和运放A₂的正输入端连接，运放A₃的负输入端与其输出端和采样电阻R_s2的1脚连接。应用电压-电流转换电路的程控电流源，现场可编程门阵列通过D/A转换模块与电压-电流转换电路的连接；本发明适用于惯导设备驱动，测量校准仪器的电流源输出等。

Description

一种电压-电流转换电路及应用这种转换电路的程控电流源

技术领域

本发明涉及电子线路领域及电流源领域。

背景技术

程控电流源是自动测试、计量校准不可或缺的仪器，在工矿企业和科研国防的计量仪表、自动化检定设备中广泛应用。目前，程控电流源普遍采用压控方式，即首先产生控制电压，然后经电压-电流转换实现电流输出。由于控制电压产生方式、电压-电流转换实现方法以及输出电流控制方式的不同，电流源在输出范围以及精度上存在较大差异。

在电机驱动，伺服系统驱动等需要较大电流的设备中，普遍采用场效应管，达林顿管等功率器件实现电压-电流转换，并且多采用开环控制方式，这类电流源的输出范围可以达到1A以上，但受功率器件精度以及控制方法的制约，其精度普遍低于1‰，并且只能实现正向电流的输出；在测试系统，校准设备等应用环境中，电流输出多直接采用电流输出型D/A转换器产生，虽然精度能够在μA级别，但由于D/A转换器的输出电流范围较小，所以该类电流源的输出不会超过几个mA；另外，为保证输出精度，该类电流源的结构都比较复杂，体积都比较大，不适合嵌入式应用。

上述两类电流源的缺陷制约了其应用范围，比如在一些惯导设备的驱动中，需要精度在10μA级别、电流输出范围在50mA左右、双向输出的电流源，且该电流源需要嵌入在惯导设备的控制计算机中应用，显然上述的两类电流源都不能够满足要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电压-电流转换电路输出电流的变化范围小、不能双向输出和程控电流源的精度低及体积过大而无法进行嵌入式开发的问题，从而提供一种电压-电流转换电路及应用这种转换电路的程控电流源。

一种电压-电流转换电路，它包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、采样电阻R_S1、采样电阻R_S2、运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃，电阻R₁的一端作为电压-电流转换电路的输入端，电阻R₁的另一端与电阻R₂的一端和运算放大器A₁的正输入端连接，电阻R₂的另一端与运算放大器A₂的负输入端和运算放大器A₂的输出端连接，运算放大器A₁的输出端与运算放大器A₃的正输入端、电阻R₃的一端和采样电阻R_S1的1脚连接，所述采样电阻R_S1的2脚与采样电阻R_S2的2脚和运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₁的负输入端与电阻R₃的另一端和电阻R₄的一端连接，所述电阻R₄的另一端接地，运算放大器A₃的负输入端与其输出端和采样电阻R_S2的1脚连接，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄为阻值相同的电阻，采样电阻R_S1的2脚作为电压-电流转换电路的输出端。

工作原理：如图1所示，U_i为控制电压，I_o为输出电流，电阻R_L为负载。设运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃均为理想运算放大器，其正输入端和负输入端输入的电流均为零且电平相同，运算放大器A₂作为电压跟随器，因为运算放大器A₂正输入端的输入电流可以为零，所以电流全部输出到负载中，故有：

U₃＝U₀      (1)

运算放大器A₁为比例放大电路，所以有：

$U_2=\frac{R_4}{R_3+R_4}\·U_1---\left(2\right)$

$\frac{U_2-U_3}{R_2}=\frac{U_i-U_2}{R_1}---\left(3\right)$

取R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝10kΩ，由(1)、(2)和(3)可得到：

U_i＝U₁-U_O                 (4)

由式(4)，可得到：

$I_{o1}=\frac{U_1-U_o}{R_{S1}}=\frac{U_i}{R_{S1}}---\left(5\right)$

由式(5)可以看出，电流的输出取决于控制电压U_i以及采样电阻R_S1，而与负载无关，实现了恒流输出，并且只要改变U_i的极性，即可改变输出电流的方向，从而实现双向电流输出。

综上所述，电流的输出主要由运算放大器A₁提供，为保证精度，运算放大器采用高精度的运算放大器，但高精度运算放大器的输出范围较小，最高在20mA左右，且输出范围受负载大小影响，所以不能满足大电流输出的要求。为此，电压-电流转换电路中增加了运算放大器A₃，且将运算放大器A₃设计为电压跟随器，其输入电压为运算放大器A₁的输出电压，即有：

U₄＝U₁          (6)

$I_{o2}=\frac{U_4-U_o}{R_{S2}}=\frac{U_1-U_o}{R_{S2}}=\frac{U_i}{R_{S2}}---\left(7\right)$

取R_S1＝R_S2＝R_S，则输出电流为：

$I_O=I_{O1}+I_{O2}=\frac{U_1-U_o}{R_{S1}}+\frac{U_1-U_o}{R_{S2}}=\frac{2U_i}{\mathrm{Rs}}---\left(8\right)$

在控制电压范围不变的条件下，同理，如图3所示，电压-电流转换电路中增加多个运算放大器，设增加的数量为n(n为大于零的整数)个，则总的输出电流I_O的范围变为原来输出电流的n+1倍。

本发明的电压-电流转换电路利用运算放大器并联技术，按照电流输出的需要改变运算放大器的数量及与其对应的采样电阻的数量来控制电流输出的变化范围，并且只需要改变U_i的极性，即可改变输出电流的方向，实现了双向电流的输出。

优点：本发明的电压-电流转换电路的结构简单，电流输出的变化范围可以控制且不受负载大小影响，满足了大电流的输出的要求，并且电流可以双向输出。

应用电压-电流转换电路的程控电流源，它包括接口芯片、现场可编程门阵列、D/A转换模块、电压-电流转换电路，接口芯片控制信号输出端与现场可编程门阵列的控制信号输入端连接，所述现场可编程门阵列控制信号输出端与D/A转换模块的数字信号输入端连接，所述D/A转换模块的模拟信号输出端与电压-电流转换电路的输入端连接，所述电压-电流转换电路的输出端输出电流。

工作原理：现场可编程门阵列控制D/A转换模块产生控制电压，所述控制电压在电压-电流转换电路中转换为电流输出。

本发明的应用电压-电流转换电路的程控电流源利用电压控制的方式，通过电压-电流转换电路实现电压-电流转换，并且在电流源中使用现场可编程门阵列和D/A转换模块产生双极性的控制电压，保证了输出的电流具有较高的精度，且实现了电流的双向输出。本发明的电流源适用于惯导设备驱动，测量校准仪器的电流源输出等。

优点：本发明的应用电压-电流转换电路的程控电流源，它输出的电流具有较高的精度，电流输出的变化范围可以控制且不受负载大小影响，电流可以双向输出；本发明的应用电压-电流转换电路的程控电流源，它使用器件简单，体积小，适合嵌入式应用。

附图说明

图1是本发明的电压-电流转换电路与负载R_L的连接结构示意图，图2本发明具体实施方式二的电压-电流转换电路并联二个运算放大器的电路与负载R_L的连接结构示意图，图3本发明具体实施方式三的电压-电流转换电路并联多个运算放大器的电路与负载R_L的连接结构示意图，图4是本发明的程控电流源的电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，一种电压-电流转换电路，它包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、采样电阻R_S1、采样电阻R_S2、运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃，电阻R₁的一端作为电压-电流转换电路的输入端，电阻R₁的另一端与电阻R₂的一端和运算放大器A₁的正输入端连接，电阻R₂的另一端与运算放大器A₂的负输入端和运算放大器A₂的输出端连接，运算放大器A₁的输出端与运算放大器A₃的正输入端、电阻R₃的一端和采样电阻R_S1的1脚连接，所述采样电阻R_S1的2脚与采样电阻R_S2的2脚和运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₁的负输入端与电阻R₃的另一端和电阻R₄的一端连接，所述电阻R₄的另一端接地，运算放大器A₃的负输入端与其输出端和采样电阻R_S2的1脚连接，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄为阻值相同的电阻，采样电阻R_S1的2脚作为电压-电流转换电路的输出端。

具体实施方式二：结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一的区别在于：它还包括运算放大器A₄和采样电阻R_S4，运算放大器A₄的正输入端与运算放大器A₁的输出端连接，所述运算放大器A₄的负输入端与其输出端和采样电阻R_S4的一端连接，所述采样电阻R_S4的另一端与电阻R_S1的2脚连接。

具体实施方式三：结合图3说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式二的区别在于：它还包括多个运算放大器和多个采样电阻，所述每个运算放大器的正输入端均与运算放大器A₁的输出端连接，所述每个运算放大器的负输入端均与其输出端和一个采样电阻的一端连接，所述这个采样电阻的另一端与电阻R_S1的2脚连接。

具体实施方式四：本具体实施方式与具体实施方式一～三的区别在于：电路中每个采样电阻的阻值都相等且均为输入控制电压与采样电阻数量的乘积除以输出电流值。

具体实施方式五：结合图4说明本具体实施方式，应用电压-电流转换电路的程控电流源，它包括接口芯片3、现场可编程门阵列4、D/A转换模块5、电压-电流转换电路6，接口芯片3控制信号输出端与现场可编程门阵列4的控制信号输入端连接，所述现场可编程门阵列4控制信号输出端与D/A转换模块5的数字信号输入端连接，所述D/A转换模块5的模拟信号输出端与电压-电流转换电路6的输入端连接，所述电压-电流转换电路6的输出端输出电流。

具体实施方式六：本具体实施方式与具体实施方式五的区别在于，它还包括计算机1和PCI总线2，计算机1通过PCI总线2与接口芯片3的控制信号输入端连接。

本实施方式中的计算机通过PCI总线将控制信号传送至现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列控制D/A转换模块产生控制电压，所述控制电压在电压-电流转换电路中转换为电流输出。

具体实施方式七：本具体实施方式与具体实施方式五的区别在于：D/A转换模块5的模拟信号输出端输出的电压为双极性电压。

本实施方式中在应用电压-电流转换电路的程控电流源中使用现场可编程门阵列4和D/A转换模块5产生双极性的控制电压，实现了双向电流输出。

具体实施方式八：本具体实施方式与具体实施方式四的区别在于：本具体实施方式中运算放大器A₁、运算放大器A₂、运算放大器A₃和多个运算放大器的型号均为OP177AN，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、采样电阻R_s1、采样电阻R_s2和多个采样电阻均是精度为0.1‰、温漂为5ppm的精密电阻。

具体实施方式九：本具体实施方式与具体实施方式五～七的区别在于：接口芯片3的型号是PCI9030。

Claims (7)

1.一种电压-电流转换电路，其特征是：它包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、采样电阻R_S1、采样电阻R_S2、运算放大器A₁、运算放大器A₂和运算放大器A₃，电阻R₁的一端作为电压-电流转换电路的输入端，电阻R₁的另一端与电阻R₂的一端和运算放大器A₁的正输入端连接，电阻R₂的另一端与运算放大器A₂的负输入端和运算放大器A₂的输出端连接，运算放大器A₁的输出端与运算放大器A₃的正输入端、电阻R₃的一端和采样电阻R_S1的1脚连接，所述采样电阻R_S1的2脚与采样电阻R_S2的2脚和运算放大器A₂的正输入端连接，运算放大器A₁的负输入端与电阻R₃的另一端和电阻R₄的一端连接，所述电阻R₄的另一端接地，运算放大器A₃的负输入端与其输出端和采样电阻R_S2的1脚连接，电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄为阻值相同的电阻，采样电阻R_S1的2脚作为电压-电流转换电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的电压-电流转换电路，其特征是它还包括运算放大器A₄和采样电阻R_S4，运算放大器A₄的正输入端与运算放大器A₁的输出端连接，所述运算放大器A₄的负输入端与其输出端和采样电阻R_S4的一端连接，所述采样电阻R_S4的另一端与电阻R_S1的2脚连接。

3.根据权利要求2所述电压-电流转换电路，其特征是它还包括多个运算放大器和多个采样电阻，所述增加的每个运算放大器的正输入端均与运算放大器A₁的输出端连接，所述增加的每个运算放大器的负输入端均与其输出端和一个增加的采样电阻的一端连接，所述这个增加的采样电阻的另一端与电阻R_S1的2脚连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的电压-电流转换电路，其特征是其中每个采样电阻的阻值都相等且均为输入控制电压与采样电阻数量的乘积除以输出电流值。

5.应用权利要求1所述的电压-电流转换电路的程控电流源，其特征是：它包括接口芯片(3)、现场可编程门阵列(4)、D/A转换模块(5)、电压-电流转换电路(6)，接口芯片(3)控制信号输出端与现场可编程门阵列(4)的控制信号输入端连接，所述现场可编程门阵列(4)控制信号输出端与D/A转换模块(5)的数字信号输入端连接，所述D/A转换模块(5)的模拟信号输出端与电压-电流转换电路(6)的输入端连接，所述电压-电流转换电路(6)的输出端输出电流。

6.根据权利要求5所述的应用电压-电流转换电路的程控电流源，其特征为它还包括计算机(1)和PCI总线(2)，计算机(1)通过PCI总线(2)与接口芯片(3)的控制信号输入端连接。

7.根据权利要求5所述的应用电压-电流转换电路的程控电流源，其特征为D/A转换模块(5)的模拟信号输出端输出的电压为双极性电压。

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