电压/电流转换电路及其输出电流范围的调节方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电压/电流转换电路及其输出电流范围的调节方法。

背景技术：

在电路领域中常使用电压传输信号，但在工业现场，由于传输线的距离较长，传输线上的分布电阻不可忽略，如果用电压信号传输则会在传输线上产生一定的压降，进而接收端的信号就会产生一定的误差，所以，在工业现场多使用4-20ma的电流信号作为变送器的标准传输信号。

而现有技术多通过集成芯片如ti的xtr111等输出得到4-20ma的电流信号，但是使用集成芯片将电压信号转换成电流信号时，不能对输出的电流信号进行增益、零点调节，造成输出电流的范围有限，实用性和可移植性不强。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电压/电流转换电路，用于解决现有技术中通过集成芯片将电压信号转换成电流信号时输出电流范围有限的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电压/电流转换电路，其特征在于，包括增益调解模块、电压/电流转换模块及零点调节模块；

所述增益调节模块对输入电压进行增益调节，得到输出电压；

所述电压/电流转换模块对所述输出电压进行电压/电流转换，得到输出电流；

所述零点调节模块提供调节电压，所述调节电压对所述输出电压进行补偿调节，使得所述输出电流的零点可调。

可选地，所述增益调节模块包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻及第一电位器；

所述第一运算放大器的反相输入端通过第一电阻接模拟地；

所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第二电阻接第一节点，所述第三电阻接在所述输入电压与所述第一节点之间，所述第四电阻接在所述模拟地与所述第一节点之间，其中，所述输入电压的电压大小是基于所述模拟地而言的；

所述第一运算放大器的输出端通过串联的第五电阻和第一电位器接所述第一运算放大器的反相输入端，且所述第一电位器的调节控制端接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第一运算放大器的输出端的输出电压为所述输出电压。

可选地，所述输出电压的计算公式为：其中，vo、vi分别表示所述输出电压、所述输入电压，r3、r4分别表示所述第三电阻、所述第四电阻，rf1表示所述第一运算放大器的输出端与所述第一电位器的调节控制端之间串联的电阻，r1’表示所述第一电位器的调节控制端与所述模拟地之间串联的电阻。

可选地，所述增益调节模块还包括第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第一电容接在所述模拟地与所述第一节点之间，所述第二电容接在所述模拟地与所述第一运算放大器的同相输入端之间，所述第三电容接在所述第一运算放大器的同相输入端与所述第一运算放大器的反相输入端之间，所述第四电容接在所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端之间。

可选地，所述电压/电流转换模块包括第二运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻及mos管；

所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第六电阻接所述模拟地，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第七电阻接所述输出电压，所述第二运算放大器的同相输入端还通过所述第八电阻接供电电压地端，所述第二运算放大器的输出端通过所述第九电阻接所述mos管的栅极；

所述mos管的漏极接供电电压，所述mos管的源极接第二节点，且所述第二节点接所述模拟地，所述第十电阻接在所述第二节点与所述供电电压地端之间，流过所述第十电阻的电流为所述输出电流，其中，所述供电电压的电压大小是基于所述供电电压地端而言的。

可选地，所述电压/电流转换模块还包括第五电容、第六电容、第七电容、第八电容及第九电容，所述第五电容接在所述第二运算放大器的同相输入端与所述第二运算放大器的反相输入端之间，所述第六电容接在所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二运算放大器的输出端之间，所述第七电容接在所述第二运算放大器的输出端与所述供电电压之间，所述第八电容接在所述供电电压与所述第二节点之间，所述第九电容接在所述第二节点与所述供电电压地端之间。

可选地，所述零点调节模块包括第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十电容及第二电位器，

所述第十一电阻接在所述供电电压与所述第二电位器的输入端之间，所述第十二电阻接在所述第二电位器的输出端与所述模拟地之间，所述第十三电阻接在所述第二电位器的调节控制端与所述第二运算放大器的同相输入端之间，所述第十电容接在所述供电电压与所述模拟地之间。

可选地，所述输出电流的计算公式为：其中，io表示所述输出电流，vo、vcc分别表示所述输出电压、所述供电电压，r7、r8、r10、r13分别表示所述第七电阻、所述第八电阻、所述第十电阻、所述第十三电阻，rf2表示所述供电电压的输入端与所述第二电位器的调节控制端之间串联的电阻，r2’表示所述第二电位器的调节控制端与所述模拟地之间串联的电阻。

可选地，所述电压/电流转换电路还包括过流保护模块，所述过流保护模块包括三极管和第十四电阻；所述三极管的基极接所述mos管的源极，所述三极管的发射极接所述第二节点，所述三极管的集电极接所述mos管的栅极；所述第十四电阻接在所述mos管的源极与所述第二节点之间。

此外，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述电压/电流转换电路中所述输出电流范围的调节方法，其特征在于：包括

让所述输入电压的输入值为零，移动所述第二电位器的调节控制端，得到所述输出电流的下限值；以及

让所述输入电压的输入值为最大值，移动所述第一电位器的调节控制端，得到所述输出电流的上限值。

如上所述，本发明的电压/电流转换电路及电压/电流转换电路中输出电流范围的调节方法，具有以下有益效果：

通过增益调解模块、零点调节模块能调节输出电流的量程及零点，有效扩大了输出电流的取值范围，增强了电压/电流转换电路的经济性与实用性。

附图说明

图1显示为本发明实施例的v/i转换电路的完整结构示意图。

图2显示为本发明实施例的v/i转换电路中增益调节模块的结构示意图。

图3显示为本发明实施例的v/i转换电路中v/i转换模块的结构示意图。

图4显示为本发明实施例的v/i转换电路中零点调节模块的结构示意图。

图5显示为本发明实施例的v/i转换电路中过流保护模块的结构示意图。

图6显示为本发明实施例的v/i转换电路中的输出电流范围调节方法的步骤示意图。

零件标号说明

a1第一运算放大器

a2第二运算放大器

b1第一节点

b2第二节点

c1第一电容

c2第二电容

c3第三电容

c4第四电容

c5第五电容

c6第六电容

c7第七电容

c8第八电容

c9第九电容

c10第十电容

r1第一电阻

r2第二电阻

r3第三电阻

r4第四电阻

r5第五电阻

r6第六电阻

r7第七电阻

r8第八电阻

r9第九电阻

r10第十电阻

r11第十一电阻

r12第十二电阻

r13第十三电阻

r14第十四电阻

ra1第一电位器

ra2第二电位器

q1mos管

q2三极管

agnd模拟地

vcc供电电压

vcc-gnd供电电压地端

vi输入电压

vo输出电压

io输出电流

rf1第一运算放大器的输出端与第一电位器的调节控制端之间串联的电阻

r1’第一电位器的调节控制端与模拟地之间串联的电阻

rf2供电电压的输入端与第二电位器的调节控制端之间串联的电阻

r2’第二电位器的调节控制端与模拟地之间串联的电阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在对本发明实施例进行详细叙述之前，先对本发明的应用环境进行描述。本发明的技术主要是应用于电路领域中，特别是需要将电压信号转换成电流信号的工业现场如自动化仪表中。本发明是解决通过集成芯片将电压信号转换成电流信号时输出电流范围有限的技术问题，在一般电压/电流转换(即v/i转换，后续将“电压/电流转换”统一简称为“v/i转换”)电路的基础上加入增益调节电路、零点调节电路及过流保护电路，对输出电流的量程及零点进行调节，进而有效改变输出电流的范围，增强该v/i转换电路的实用性和可移植性。

图1显示为本发明实施例的v/i转换电路的完整结构示意图，图2显示为本发明实施例的v/i转换电路中增益调节模块的结构示意图，图3显示为本发明实施例的v/i转换电路中v/i转换模块的结构示意图，图4显示为本发明实施例的v/i转换电路中零点调节模块的结构示意图，图5显示为本发明实施例的v/i转换电路中过流保护模块的结构示意图。

图6显示为本发明实施例的v/i转换电路中的输出电流范围调节方法的步骤示意图。

具体地，请参见图1-图5，本发明提供一种本发明提供一种v/i转换电路，包括增益调解模块、v/i转换模块及零点调节模块；

所述增益调节模块对输入电压vi进行增益调节，得到输出电压vo；

所述v/i转换模块对所述输出电压vo进行v/i转换，得到输出电流io；

所述零点调节模块提供调节电压，所述调节电压对所述输出电压vo进行补偿调节，使得所述输出电流的零点可调。

如图1所示，整个v/i转换电路的基础为一个双运放结构的芯片：所述增益调节模块包括第一运算放大器a1及第一电位器ra1，所述第一运算放大器a1作为一个同相比例运算放大器，对所述输入电压vi进行增益调节，得到输出电压vo，通过所述第一电位器ra1来调节所述输出电压vo的增益，进而调节后续所述输出电流io的量程；所述v/i转换模块包括第二运算放大器a2及第十电阻r10，所述第二运算放大器a2将其同相输入端输入的输出电压vo进行v/i转换后在其输出端上得到所述输出电流io；所述零点调节模块包括第二电位器ra2，供电电压vcc对所述第二运算放大器a2的同相输入端的分压受所述第二电位器ra2的调节控制，即整个所述零点调节模块对所述第二运算放大器a2的同相输入端提供一调节电压，所述调节电压对所述输出电压vo进行补偿调节，当所述输出电压vo(或所述输入电压vi)为零时，通过调节所述第二电位器ra2来调控所述调节电压，进而对所述输出电流io的零点进行调节。

其中，所述输入电压vi的电压大小是基于模拟地agnd而言的，所述供电电压vcc的电压大小是基于所述供电电压地端vcc-gnd而言的。

详细地，如图2所示，所述增益调节模块包括第一运算放大器a1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5及第一电位器ra1；

所述第一运算放大器a1的反相输入端通过第一电阻r1接模拟地agnd；

所述第一运算放大器a1的同相输入端通过所述第二电阻r2接第一节点b1，所述第三电阻r3接在所述输入电压vi与所述第一节点b1之间，所述第四电阻r4接在所述模拟地agnd与所述第一节点b1之间，其中，所述输入电压vi的电压大小是基于所述模拟地agnd而言的；

所述第一运算放大器a1的输出端通过串联的第五电阻r5和第一电位器ra1接所述第一运算放大器a1的反相输入端，且所述第一电位器ra1的调节控制端接所述第一运算放大器a1的反相输入端，所述第一运算放大器a1的输出端的输出电压即所述输出电压vo。

进一步地，如图2所示，所述增益调节模块还包括第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3及第四电容c4，所述第一电容c1接在所述模拟地agnd与所述第一节点b1之间，所述第二电容c2接在所述模拟地agnd与所述第一运算放大器a1的同相输入端之间，所述第三电容c3接在所述第一运算放大器a1的同相输入端与所述第一运算放大器a1的反相输入端之间，所述第四电容c4接在所述第一运算放大器a1的反相输入端与所述第一运算放大器a1的输出端之间。

基于如图2所示的电路结构，由“虚短”和“虚断”性质有：

进而得出所述输出电压vo的计算公式：

公式(1)中，rf1表示所述第一运算放大器a1的输出端与所述第一电位器ra1的调节控制端之间串联的电阻(如图1或2中虚线框所示)，r1’表示所述第一电位器ra1的调节控制端与所述模拟地agnd之间串联的电阻(如图1或2中虚线框所示)。

其中，调节所述第一电位器ra1(移动所述第一电位器ra1的调节控制端)，可以改变rf1和r1’的比例关系，从而调节所述输出电压vo的增益。

详细地，如图3所示，所述v/i转换模块包括第二运算放大器a2、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10及mos管q1；

所述第二运算放大器a2的反相输入端通过所述第六电阻r6接所述模拟地agnd，所述第二运算放大器a2的同相输入端通过所述第七电阻r7接所述输出电压vo，同时，所述第二运算放大器a2的同相输入端还通过所述第八电阻r8接供电电压地端vcc-gnd，所述第二运算放大器a2的输出端通过所述第九电阻r9接所述mos管q1的栅极；

所述mos管q1的漏极接供电电压vcc，所述mos管q1的源极接第二节点b2，且所述第二节点b2接所述模拟地agnd，所述第十电阻r10接在所述第二节点b2与所述供电电压地端vcc-gnd之间，其中，所述供电电压vcc的电压大小是基于所述供电电压地端vcc-gnd而言的。

进一步地，所述v/i转换模块还包括第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8及第九电容c9，所述第五电容c5接在所述第二运算放大器a2的同相输入端与所述第二运算放大器a2的反相输入端之间，所述第六电容c6接在所述第二运算放大器a2的反相输入端与所述第二运算放大器a2的输出端之间，所述第七电容c7接在所述第二运算放大器a2的输出端与所述供电电压vcc之间，所述第八电容c8接在所述供电电压vcc与所述第二节点b2之间，所述第九电容c9接在所述第二节点b2与所述供电电压地端vcc-gnd之间。

其中，如图3所示，所述第二运算放大器a2的工作电压的两个输入端口，一个接所述供电电压vcc、另一个接所述模拟地agnd。

基于如图3所示的电路结构，所述第二运算放大器a2构成电流串联负反馈，所述第二运算放大器a2将其同相输入端输入的电压进行v/i转换，在其输出端上得到输出电流，当所述mos管q1正常导通时，所述mos管q1源极输出的电流即为所述输出电流io，同时，根据电路结构分析可知，流过所述第八电阻r8的电流与所述第十电阻r10的电流之和即为所述输出电流io；此外，为了增强整个v/i转换电路的输出电流能力，可采用n沟道的mos管q1对电流进行扩流。

详细地，如图4所示，所述零点调节模块包括第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十电容c10及第二电位器ra2，

所述第十一电阻r11接在所述供电电压vcc与所述第二电位器ra2的输入端之间，所述第十二电阻r12接在所述第二电位器ra2的输出端与所述模拟地agnd之间，所述第十三电阻r13接在所述第二电位器ra2的调节控制端与所述第二运算放大器a2的同相输入端之间，所述第十电容c10接在所述供电电压vcc与所述模拟地agnd之间。

基于如图4所示的电路结构，所述供电电压vcc对所述第二运算放大器a2的同相输入端提供了一分压即所述调节电压，所述调节电压对同样输入所述第二运算放大器a2的同相输入端的所述输出电压vo进行补偿调节，当所述输出电压vo(或所述输入电压vi)为零时，通过调节所述第二电位器ra2来调控所述调节电压，进而对所述输出电流io的零点进行补偿调节。

于本实施例中，如图1所示，分析所述增益调解模块及所述零点调节模块对所述v/i转换模块输出电流的调节，根据“虚短”性质，当所述第二运算放大器a2的输出到达负反馈之后，根据“虚短”性质，所述第二运算放大器a2的同相输入端的电压为所述模拟地agnd，此时，第八电阻r8与第十电阻r10两端的压差相等，均为所述模拟地agnd与所述供电电压地端vcc-gnd之间的压差。由于所述第八电阻r8>>所述第十电阻r10，因此流过所述第八电阻r8的电流可以忽略不计，整个v/i转换电路的所述输出电流io为流过所述第十电阻r10的电流。其中，根据电路的结构设计需要，所述第八电阻r8的电阻值一般为上百千欧，而所述第十电阻r10的电阻为几十欧左右。

考虑到所述第二运算放大器a2的同相输入端的输入电压有两部分来源：所述输出电压vo以及所述供电电压vcc提供的所述调节电压，下面采用叠加定理计算所述第八电阻r8两端的电压。

1、只考虑所述输出电压vo时，根据“虚短”和“虚断”性质有：

2、只考虑所述供电电压vcc在通过所述第二电位器ra2之后提供的分压(所述调节电压)时，并考虑源内阻，得到所述第八电阻r8两端电压如下：

因此，由叠加定理计算得到所述第八电阻r8两端的电压为：

所以，流过所述第十电阻r10的所述输出电流io的计算公式为：

进而，由公式(1)和公式(2)得到所述输出电流io的计算公式为：

上述公式中，rf2表示所述供电电压vcc的输入端与所述第二电位器ra2的调节控制端之间串联的电阻，r2’表示所述第二电位器ra2的调节控制端与所述模拟地agnd之间串联的电阻。

进一步地，所述v/i转换电路还包括过流保护模块，如图5所示，所述过流保护模块包括三极管q2和第十四电阻r14；所述三极管q2的基极接所述mos管q1的源极，所述三极管q2的发射极接所述第二节点b2，所述三极管q2的集电极接所述mos管q1的栅极；所述第十四电阻r14接在所述mos管的源极与所述第二节点b2之间。

如图5所示，所述三极管q2和第十四电阻r14组成了过流保护电路，当所述mos管q1上流过的电流(所述输出电流io)过大，在第十四电阻r14上的压降就会增大，如果电压达到所述三极管q2的开启电压ube，则所述三极管q2就会导通，所述mos管q1的栅极-源极电压就会小于阈值电压，从而关断了所述mos管q1，保护了电路。而保护电流值可以通过调节第十四电阻r14的电阻值大小进行设置，ilim＝ube/r14，其中，ilim表示保护电流。

再详细地，请参见图6，基于如图1-5所示的电路结构，并结合公式(3)，本实施例还提供一种上述v/i转换电路中所述输出电流io范围的调节方法，包括步骤：

s1、让所述输入电压vi的输入值为零，移动所述第二电位器ra2的调节控制端，得到所述输出电流io的下限值；以及

s2、让所述输入电压vi的输入值为最大值，移动所述第一电位器ra1的调节控制端，得到所述输出电流io的上限值。

需要注意的是：所述下限值必须大于等于整个v/i转换电路的静态电流，所述上限值必须小于等于整个v/i转换电路的保护电流。

综上所述，本发明实施例所提供的v/i转换电路包括了增益调解模块、零点调节模块及过流保护模块，通过增益调解模块、零点调节模块能调节输出电流的量程及零点，有效扩大了输出电流的取值范围，增强了v/i转换电路的经济性与实用性；同时，当输出电流过大时，凭借过流保护模块可有效切断输出以保护电路，提高了v/i转换电路的安全性。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。