基于运算放大器的电流环设计.doc

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1、燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书目录第一章 绪论-（4）第二章 对电流环电路的认识-（4）第三章 电流环电路的基本组成-（5）3.1加法求和电路-（6）3.2 howland电流泵电路-（6）第四章 电流环电路的参数计算过程-（9）第五章 用multism对电路的仿真及结果分析-（10） 5.1 各种测试源下电流环电路仿真结果-（10）5.2 结果分析及结论-（15）第六章 心得体会-（17）参考文献第1章 绪论我的这篇课设主要是针对老师给的题目“基于运算放大器的电流环电路设计”来展开的。首先我查阅了一些资料，从中我对什么是电流环做了一些了解。电流环简单来说就是带有电流负反馈的运算放

2、大器电路。通过老师上课第二章讲的内容我初步了解到这个设计的根本就是找到合适的运算放大器电路，最后将0-2.5V电压的幅值转换为4-20mA电流的幅值。这个就是这次课程设计的重点。本篇课设的主要内容是通过对电流环用途及优点的认识，继而设计出电流环电路的基本组成电路，最后通过multism电路仿真对设计的电路进行验证，分析误差产生的原因最后得出结论。第2章 对电流环电路的认识在因为之前没有对电流环做过过多的了解，只是基于课本上的理论分析，通过这次的课设题目我了解到：电流环电路一般应用于工业现场的信号传输。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)

3、，提供相应的输出电压；发送器将传感器输出按比例转换成420mA电流信号；接收器则将420mA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。因为在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长传输，会产生以下问题：（1），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，传输线上也会产生电压降，因为传输线也能够分压；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，可以用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。420mA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

4、于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。所以这次课设主要就是将0-2.5V的电压转化成4-20mA的电流值。第3章 电流环电路的基本组成电流环电路主要有求和放大器电路和howland电流泵组成，如图3.1所示。因为这次的参数要求电压是在0-2.5V，而电流是在4mA-20mA变化的，在电压为零时电流不为零，所以不能直接用howland电流泵设计将电压直接转化成电流，应该将电压信号首先调制成有偏压的电压信号，所以要用到求和放大电路。图3.1电流环电路 3.1 放大求和电路 下面就电流环电路的两个模块分别介绍一下：首先是放大求和电路。放大求和电路如图3.2所示图3.2放大求和电路首先令与R5

5、相连的输入端为15V，令与R6端相连的输入端为输入的0-2.5V。通过运算放大求和电路的计算公式可知，V=（R7R6）15（R7R5）Vi。因为要求在Vi=0V的时候，Io=4mV。所以要求V在Vi=0V的时候不为0，所以要在R5端加一个固定不变的电压。3.2 howland电流泵 接下来介绍一下改进的howland电流泵。一开始我想到了howland电流泵的基本电路，就是用于将电压转换成电流的。改进的howland电流泵的图如图3.3所示图3.3 改进的howland电流泵而为什么要用改进的howland电流泵，一个主要的原因就是改进的howland电流泵耗费的功率是相对较小的。其中电阻R2

6、已经分为两部分R2A和R2B，使得现在的平衡条件为(R4/R3)=(R2A+R2B)/R1，当这个条件满足的时候，证明这个负载仍然看到的是Ro=，但是现在的传递特性是io=【（R2R1）R2B】Vi。除了增益项R2R1之外，现在的灵敏度是由R2B设定的，这表明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。例如，置R2B=1k，R1=R3=R4=100k和R2A=100-1=99k，仍然得到在Vi=1V下，在大的100的电阻上消耗的功率现在也是非常之少。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

7、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。通过两个电路的组合可以得到图3.1的最终的传递函数。详细的推导过程如下：求和放大电路的传递函数为V=（R7R6）15（R7R5）Vi而howland电流泵的传递函数，通过对图3.1howland电流泵部分运用虚短虚断，列出表达式为Io=-VL（R1+R2）+（Vo-VL）R2B； VP=R1（R1+R2A）VL； （V1-VN）R3=(VN-Vo)R4 VN=VP 联立即可以得出Io=VL(R1-R2B-R2A)R2B(R1+R2A)+

8、（R7R6）15+（R7R5）ViR2B 因为实际的电路中必须要求输出项与VL无关，所以在此也可以验证电桥平衡的条件R2=R1。（前提是计算过程已经假设R1=R3=R4）第4章 详细的参数设定令假使R2B上最大电压为2V，此时电流为20mA。则要求电流变化范围是420mA解以上两式有综上可得电路参数：R1=10K R3=10K R4=10K R5=600K R6=25 KR2A=9.9 K R2B=100 R7=16k第5章 用multism对电流环电路的测试及结果分析5.1各种测试源下电流环电路仿真结果为了更好的检验电路的准确性，我用了三种检测信号来进行multism仿真的。（1）首先图4.

9、1是用修改恒压源输入参数的方法来验证的。图5.1 multism仿真电路（恒压源测试）测试中，通过调整V1的数值，用电流表测得电流在不同电压值下的数值。 表1.仿真结果数据表VI00.250.50.7511.25理论值Io45.67.28.810.412仿真值Io45.997.1998.79910.39811.998VI1.51.7522.252.5理论值Io13.615.216.818.420仿真值Io13.59715.19716.79718.39619.996实验记录如下图5.2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

10、输入电压为通过原点的直线，输出电流图线不通过原点。图5.2 用直流稳压源仿真的输入电压与输出电流随时间变化曲线图（2）接下来用锯齿波来测试电路的准确性，电路图如4.2所示图5.3 锯齿波作为输入端的仿真 这个电路图较上面的电路图就是用了信号发生器来作为输入信号，调节好信号的幅值让锯齿波的峰值为2.5V。因为负载端得输入电阻已经设定，所以同多示波器的B端的电压值既可以算出电流的大小，而且很简便。仿真的数据结果通过示波器上的读出如下，输出电压换算成电流。VI10099mV253.507mV517.199mV760.606mV1.024V1.247仿真值Io4064mA5.622mA7.309mA8

11、.866mA10.554mA11.981mAVI1.4911.7342.0182.2012.2622.495仿真值Io13.539mA15.096mA16.913mA18.081mA18.471mA19.964mA图5.4就是示波器所显示的输入与输出的电压波形图其中幅值低的是输入电压，幅值高的是输出的电压。图5.4 示波器在锯齿波的情况下输出随输入的变化（3）下面再用正弦波发生器验证电路的准确性首先 图5.5是正弦波的电路仿真图此电路图与锯齿波的发生器的电路图是一样的，就是在选择发生器的时候置位到正弦波的情况下得出的，A端是输入的电压波形图，对应示波器上幅值低的那条直线，B端是输出负载端的电压

12、，对应示波器上幅值较高的那条线。 仿真的负载端电压和输入电压的波形图如图5.5所示图5.5 正弦波输入下的波形图仿真的数据结果通过示波器上的读出如下，输出电压换算成电流。VI15.285mV269.655mV521.225mV767.381mV1.006V1.261V仿真值Io4097mA5.725mA7.335mA8.910mA10.434mA12.068mAVI1.5V1.719V2.014V2.201V2.259V2.5V仿真值Io13.595mA14.997mA16.884mA18.082mA18.451mA19.995mA通过具体的数据可以分析可以知道三种仿真的结果是很相近的。5.2

13、仿真结果分析及结论将第一种仿真的结果做出仿真值和理论值的曲线，如图5.6所示。其中横轴代表电压值的变化，纵轴代表电流的大小 。做出两条曲线，分别为理论值和仿真的曲线变化。图6. 电流随输入电压变化图像得出结论：从图上的曲线可以很直观的看出，输出的电流是随着电压的变化成正比例变化的，当电压为0是，输出电流理论值和仿真值都为4mA,当电压为2.5V时，理论值和输出值也非常的接近。两条曲线的变化趋势大体相同，验证了电路的准确性，而另外两种电路的验证（正弦波和锯齿波）的示波器图形，更加充分地说明了此电路的设计是合理可行的。误差分析：从上图的曲线中可以知道，理论值与仿真值还是有些许误差的，但是这是在误差

14、允许范围内的，但是是什么原因产生的误差，我想有必要分析一下。首先，我认为在实际的仿真过程中，把电压设定到0-2.5V之间的任意值，但是在正弦波和锯齿波的波峰位置都是不能到2.5V的，所以读出的负载电压换算成电流后是有一定的误差的。其次，设定的电阻值也有可能存在误差，再次，使用的电流表的也存在一定的误差。 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420mA的控制环应用，符合应用设计要求。 第6章 心得体会这次的课程设计使我得动手能力得以进一步提高，从一开始拿到题目，我对电流环的认

15、识不是很深，只局限于书本上的知识，根本不知道电流环到底有什么用途，所以我第一天就是翻阅了一些书籍还有从网上了解了电流环的基本作用及用途，也知道了电流环的原理就是用电流去传输信号，而信号有的时候不是用电流来传输的，所以就有必要用运算放大器来设计一种满足参数要求的将电压转化成电流的测控电路系统，由此我确定了自己的设计方向，就是通过自己学的测控电路第二章的知识是可以解决的，通过进一步仔细的计算，基本上在第二天就确定了自己的电路图，我本人认为电流环电路还是很容易的，所以我也想当然的认为仿真也不会很难，但是第一次使用multism还是遇到了不少麻烦，尤其在使用什么信号发生来产生0-2.5V电压就让我苦思

16、冥想，因为在基本的元器件里是没有随时间变化的直流电压源的，最后在老师的提示下，我用了三种信号产生的方法，第一种方法就是很直接的用固定的直流电源来修改电压大小来记录下电流表的示数变化，另外两种方法就是用锯齿波还有正弦波发生器来产生0-2.5V的电压变化，来观察负载上的电压变化，同样也得到了预期的结果。这次课设我深深的体会到光掌握课本上的知识是远远不够的，我们还应该多了解一些应用方面的知识，尤其是实际操作的能力真的很需要锻炼，这次我也学会用了两个好用的软件就是multism和visol。并且在设计的时候光靠自己一个人的智慧是不够的，同组同学的一起交流真的会给我很多我想不好的提示。我也非常感谢在课程设计中给我提供帮助的老师们，再次由衷的表示感谢！参考文献1 Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. 2009.2 阎石. 数字电子技术基础. 高等教育出版社. 2008.3 康华光. 电子技术基础(模拟部分). 高等教育出版社. 2008.- 16 -