运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出

时间:2024-03-14 16:14:43

前言

相对于电压转电流,电流转电压就像对简单些,有一个精密采样电阻即可,对电压精度要求不高,采样电阻也可以不用精密电阻,采样电阻的作用就是将电流信号采样变成电压信号,再由运放对采样后的电压进行放大,至于放大为多少,跟据项目或实际需要,选择合适的运放及电阻即可,今天所说的则是将0-20mA转换为±10V输出。

0-20mA 输入转 ±10V输出

下图为电流转电压信号输出电路,其功能为 0-20mA 输入 转 0-10V输出,电路如下图所示:

运放:OPA277 双电源供电
采样电阻: R2 200R
IS1 :可调电流源0-20mA
UP: 同相端输入电压
UN: 反相端电压 (虚短:UP = UN)
UO: 运放输出电压
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
电路机构比较简单,只要设置好了电阻R4 与电阻 R3 的值(或比值),输入0-20mA, 运放就会线性输出0-10V,0mA对应0V ,20mA对应10V。
分析
同相端电压另记为Ui,由虚短可知,UP= UN =Ui ,结合虚短可以得出运放输出电压表达式 :
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
我们需要输入为20mA时,输出为10V ,即Ui= 20mA *200= 4V, 需要UO=10V
我们把Ui= 4V UO=10V 带入上式,可以计算得出R3 与 R4的比值为:
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
这个比值关系显然对于 Ui= 0mA *200 =0V 需要UO=0V 显然也是满足的。
所以取R3= 20K R4= 30K,电路如下图所示:
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采用直流扫描,设置电流源IS1从0到22mA扫描,看仿真波形:
可以看出输出电压呈现较好的线性,输入20mA时,输出电压为+10V
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采用直流扫描,设置电流源IS1从0到30mA扫描,看仿真波形:
可以明显看出,在输入大于一定值(27.82mA)后,输出不成线性,这是因为OPA277不是轨至轨运放,输出电压最大达不到电源轨,离电源轨还有一定距离,所以当输入电流过大时,输出饱和便不再增加。
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你可能会说,怎么输入0mA时,不是输出的-10V呢?仔细看下UO的表达式你会发现
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
要想得到-10V输出,需要对上面的电路进行变型:
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同相端电压另记为Ui,由虚短可知,UP= UN =Ui ,结合虚短可以得出运放输出电压表达式 :
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
我们需要输入为0mA时,输出为-10V ,即Ui= 0mA *200= 0V, 需要UO=-10V
我们把Ui= 0V UO=-10V 带入上式,可以计算得出R3 与 R4的比值为:
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
这个比值关系显然对于 Ui= 20mA *200 =4V 需要UO=10V 显然也是满足的。
所以取R3= 10K R4= 40K,电路如下图所示:
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
采用直流扫描,设置电流源IS1从0到22mA扫描,看仿真波形:
可以看出输出电压呈现较好的线性,输入0mA时,输出-10V 输入20mA时,输出电压为+10V
运放专题:0-20mA 输入转 ±10V输出
下图是实际使用的的0-20mA 输入转 ±10V输出的电路
参考电压:2.5V
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