V/I（电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。例如，在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。I/V（电流/电压）转换器进行电流、电压信号间的转换。例如，对电流进行数字测量时，首先需将电流转换成电压，然后再由数字电压表进行测量。在用光电池、光电阻作检测元件时，由于它们的输出电阻很高，因此可把他们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，微电流放大器越来越占有重要的位置。
在这次设计中，主要是实现工业标准上的电压（0～5V、1～5V）和工业标准上的电流（0～10mA、4～20mA）的互相转换。
1 方案设计与论证
1.1 设计要求
- 实现电流—电压,电压—电流,电压—电压,电流—电流之间的转换
- 电流符合工业标准0～10mA、4～20mA;电压符合工业标准0～5V、1～5V
- 转换器具有较好的线性
- 带负载能力强
- 转换器具有一定的实用性
1.2 方案设计与论证
1.2.1集成电流电压变换电路
许多集成芯片都能完成电流/电压,电压/电流的转换。如ZF2B20高精度V/I变换器，输入电压范围0～10V，输出电流范围4～20mA;又如AD694是美国AD公司生产的V/I变换器转换精度高，使用方便，通过改变引脚的不同接法，可以选择多种电压输入范围。对应输出0～20mA、4～20mA电流信号；XTR110是精密V/I变换器，它可将0～5V或1～10V电压信号变换成4～20mA、0～20mA、5～25mA电流输出或其它电流范围；还有RCV420是精密I/V变换器，它能将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出。
虽然这些集成变换器在一定程度上能满足指标要求，但是考虑到集成芯片价格比较昂贵，并且在技术设计上没有多大的意义，所以本次设计主要采用集成运放等元件来完成电流—电压,电压—电流,电压—电压,电流—电流之间的转换。
1.2.2总体电路设计方案
利用多路开关间的切换来实现通道的选择，整体电路由各个模块电路组成，各个模块电路主要完成电流—电压,电压—电流,电压—电压,电流—电流之间的转换。如图1.1
图1.1 总体电路框图
2 各模块电路设计
2.1 电流/电压变换电路
2.1.1方案确立
在模拟量输入输出通道中，电流/电压变换是一个不可缺少的重要部分。变送器输出的信号为0～10mA或4～20mA统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。对于电动单元组合仪表，DDZ-Ⅱ型仪表输出0～10mA标准电流信号,DDZ-Ⅲ型和DDZ-S仪表输出4～20mA标准电流信号,针对上诉情况设计和分析，可以采用下面两种电流电压变换的实现方法。
（1）无源I/V变换
无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施，如图2.1所示
图2.1 无源I/V变换
图中R1和C构成无源滤波电路，即RC低通滤波电路，起到滤波的作用；二极管一端加固定电压+5V，在另一端若有加至高于5V电压，在满足二极管一定特性的情况下，二极管将正向导通，所以在这里二极管起到了限幅的作用，输出电压V=R2*I，即可使输入电流转换为电压形式输出。
（2）有源I/V变换
有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器、电阻组成，如图2.2所示。图中利用运算放大器进行对输入信号的放大。如图虚线的左端是将输入电流信号转变为电压信号，输入电流由于电容C的存在使R1两端产生一定的压降，然后由运算放大器实现电压放大，从而完成电流到电压的转换。
比较无源I/V变换和有源I/V变换，有源I/V变换在实际应用中更为广泛，而且可调性强，便于电路的调试，所以设计中选用有源I/V变换完成电流电压转换。
图2.2 有源I/V变换
2.1.2 原理分析
如图2.3，利用同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈，电路从输出电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，它将输出电压的全部作为反馈电压。
图2.3 同相比例运算电路
若输入电压Ui对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可认为R1上的电压
；并且，由于集成运放开环差模增益Aod很大，因而其净输入电压Ud也可忽略不计，则 Ui≈ Ud+ Uf≈Uf，所以输出电压 Uo≈(1+
)Ui (2.1)
式(2.1)表明，电路引入电压串联负反馈后，一旦R1和R2的取值确定，Uo 就仅仅取决于Ui，而与负载电阻RL无关。因此，可以将电路的输出看成为电压Ui控制的电压源Uo，且输出电阻为零。
应当指出，上述结论是有条件的。只有在虚断（认为集成运放的同相输入端和反相输入端的电流趋近于零），才能忽略Ui对反馈网络的作用；只有在虚短（认为集成运放的同相输入端和反相输入端的电压近似相等），才能忽略净输入电压，使Ui≈Uf。实际上，只有在集成运放的开环差模增益Aod和差模输入电阻均趋近于无穷大时，才会在集成运放的输入端存在“虚断”和“虚短”。虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以在实际的设计中，为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。
2.1.3参数确定
由图2.3的分析,假设R1=200Ω,那么当输入0～10mA电流信号时,R1两端产生的压降为0～2V,要使其产生0～5V的输出电压,那么确定其放大倍数为2.5,即A=2.5,根据同相放大电路的放大倍数
A=1+
（2.2）
如果R4=150K,R3=100K,满足A=2.5,由于R2、R5参数的确定与电路没有多大影响，理论上设计给定R2=100k, R5=10k。所以设计得到0～10mA/0～5V电流/电压变换电路。如图2.4
同理，假设R1=200Ω,那么当输入4～20mA电流信号时,R1两端产生的压降为0.8～4V,要使其产生1～5V的输出电压,那么确定其放大倍数为1.25,即A=1.25。根据式（2.2）同相放大电路的放大倍数，如果R4=25K,R3=100K,满足A=1.25,由于R2、R5参数的确定与电路没有多大影响，理论设计R2=100k,R5=10k。同样设计得到4～20mA/1～5V电流/电压变换电路。如图2.5
图2.4 0～10mA/0～5V电流/电压变换电路
图2.5 4～20mA/0～5V电流/电压变换电路
2.2 电压/电流变换电路
2.2.1方案确立
（1）基本电路
在控制系统中，为了驱动执行机构，如记录仪、续电器等，常需要将电压转换为电流。一般在放大电路中引入合适的反馈，可以实现上述转换。
如图2.6所示为实现电压/电流转换的基本原理电路。实际上该电路是一个反相比例运算电路，故输出电压Uo与输入电压Ui反相。电阻RL跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联负反馈。同相输入端通过电阻R1接地，R1为补偿电阻，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；其值为Ui=0（即将输入端接地）时反相输入端总等效电阻，即各支路电阻的并联，所以，R1=R//RL。
由于理想运放的净输入电流均为零，故R1中电流为零，所以 Un=Up=0，则负载电流
（2.3） 式（2.3）表明负载电流
与Ui成线性关系。但是此电路设计电路中的负载没有接地，即负载RL处于浮地状态；待变换的输入电压Ui受运放的最大共模输入电压限制，虽然该设计虽然电路结构简单，但不适合用于某些应用场合。所以在设计中不用此方案。
图2.6 电压/电流转换的基本原理电路
（2）豪兰德(Howland)电流源电路
在实用电路中，常常需要负载电阻RL有接地端，为此产生了如图2.7所示的豪兰德电流源电路。由于该电路引入深度负反馈，可以认为集成运放的两个输入端电位Un≈Up,电流In≈Ip≈0,因此在结点N的电流方程为
因而N点的电位
(2.4)
结点P的电流方程
因而P点电位
(2.5)
由上推导，P点的电压近似等于N点的电压，即Un≈ Up，并假设R2/R1=R3/R,利用式（2.4）和式（2.5）相等的关系，得到Io=-Ui/R，由于输出电流与输入电压反相，不符合设计要求，所以也不采用此方法进行设计。
图2.7 豪兰德电流源电路
（3）实用电压/电流转换电路
如图2.8（a）所示是由运放和电阻，电容，三极管等元件组成的电压/电流变换电路，能将直流电压信号线性地转换成电流信号，A1是比较器，A3是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi与反馈电压Vf比较，在比较器A1的输出端得到输出电压V1,V1控制运放A2的输出电压V2，从而改变晶体管T1的输出电流I，而输出电流I又影响反馈电压Vf，达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流I的大小可通过Vf/（Rw+R7）计算，由于负反馈作用使Vi=Vf，因此输出电流就等于Vi/（Rw+R7），这样表明输出电流随输入电压的变化而变化有关，即达到了电压到电流的转换。
但是考虑这样的设计需要的集成运放数较多，加上有三极管的参与，可能在实际电路的调试上有一定的难度，所以也不采用此电路进行设计。
图2.8（a） 实用电流/电压转换电路
如图2.8(b)，Vf是输出电流I流过电阻Rf产生的反馈电压，即V1与V2两点之间的电压差，此信号经电阻R3、R4加到运放A1的两个输入端Vp与Vn，反馈电压Vf= V1-V2，对于运放A1，有同相输入端电压和反相输入端电压分别为：
（2.6）
因为理想运放的同相输入端和反相输入端近似相等，即Vp=Vn
所以
Vn （2.7）
根据Vf=V1-V2及(2.7)式可以推导得到：
（2.8）
如果R1=R2,R3=R4,则由式（2.8）得：
（2.9）
由式（2.9）得到
，如果忽略流过反馈回路的电流，
则有；
（2.10）
由此可以看出，当运放的开环增益足够大时，输出电流与输入电压满足线性关系。当 R1和R4的阻值确定后，关系式只与反馈电阻的阻值有关。
当R1=R2=100k,R3=R4=20k时，
，则有
所以当Rf=100Ω时，输入0～5V电压即可输出0～10mA电流；当Rf=50Ω时，输入1～5V电压即可输出4～20mA电流。电路设计中存在三极管，另还要加一路电源使三极管工作，电源的大小影响三极管的正常工作。选用电流放大倍数较高的三极管。
图2.8（b） 实用电压/电流转换电路
如图2.8(c)，这是由两个运放组成的实用电压电流转换电路。A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。集成运放A1的输出电压Uo1与其同相输入端Up1有关，而Up1又与Uo2有关，Uo2又是集成运放A2的输出电压，而A2的输入电压即为Ro的另一端电压，只要求得Ro上的电压降就可以知道流过Ro的电流 Io，如果压降能用输入电压的关系式表示，那么就可以完成电压到电流的转换。由于该电路相对结构简单，设计中主要采用该电路完成电压到电流的转换。
图2.8（c） 实用电压/电流转换电路
2.2.2原理分析
如图2.8（c），集成运放的同相输入端实际上有两路信号，一路是输入电压Vi,另一路是A2的输出电压Uo2，这样当输入信号均作用于集成运放的同一个输入端，则可以实现加法运算；对于集成运放A1，根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电流为零，所以有
，则
又因为理想集成运放净输入电压为零，则Un1=Up1，所以上式为
在同相比例运算电路中，若将输出电路的全部反馈都加到反相输入端，就构成了电压跟随器。即图中集成运放A2构成的就是一个电压跟随器，该电路引入了电压串联负反馈，其反馈系数为1。由于理想集成运放净输入电压为零，即Un2=Up2,又因为Un2=Uo2，所以Up2=Uo2,即输入电压等于输出电压。又因为理想集成运放净输入电流为零，则有
(2.11)
所以由式（2.11）得到：
（2.12） 若R1=R2=R3=R4,则上式简化为
（2.14）
所以得到
（2.15）
即输出电流随输入电压的改变而改变。
2.2.3 参数确定
由上面的分析和推导知道
，当Ro确定后，输出电流只与输入电压有关。当输入0～5V标准电压时，要输出0～10mA的标准电流，即Ro=500Ω。同理当输入1～5V标准电压时，要输出4～20mA的标准电流，即Ro=250Ω。R1,R2,R3,R4为四个平衡电阻，只要阻值相等就可以，设计电路中取R1=R2=R3=R4=47k。
在这种情况下，输出电流与输入电压以1/Ro为比例系数成线性关系，所以该设计在原理上具有较好的线性关系。另外，负载与输出电流无关，该电路也具有较强的带负载能力。
2.3电压/电压转换电路
供电电源是一切电子仪器和其他电子设备的能量来源，电源的稳定性是决定整个仪器和设备的稳定性的主要参数，对电源除了稳定性指标外，还常有精度的要求，通常可以将精度不高的供电电源，利用电压/电压变换电路转换成近乎理想的高精度稳定电压，这种电压/电压转换电路可以利用集成运放在闭环状态下工作时所特有的低输出阻抗以及电压增益可调的特性来构成。另外，电压/电压转换电路还可以将标准电压放大或缩小，从而获得各种所需值的稳定电压。因此，电压/电压变换电路也可称电压调节器，电压调节器在直流稳压电源中应用十分广泛。
集成运放的应用首先表现在它能构成各种运算电路。在运算电路中，以输入电压为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变换时。输出电压将按一定的数学规律变化，即输出电压反映输入电压某种运算的结果。所以在电压/电压转换电路的设计中，还是采用集成运放来构成该功能电路。
2.3.1方案确立
（1）电压/电压转换基本电路
如图2.9所示，是电压/电压变换的基本电路，图中标准稳压管Dz作为集成运放的负反馈元件。因而可以利用稳压管的稳定电压来建立稳定的集成运放输入电流I1,使该电流的温度稳定性达到与标准稳压管的温度稳定性相同的量级，I1可以用下式计算：
由于集成运放的隔离作用，供电电源与负载关系不大，因而能在较宽广的温度范围内以及负载变动的情况下获得稳定的输出电压
如果变换 R2、R3的比例关系可以使得，输出电压Vo变化；当R2、R3成一定比例不变时，输出电压为恒定值。实际上这就是一个稳压电路，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。但是这种电路设计，不符合设计要求，即输出电压不是随输入电压的变化而变化。
图2.9 电压/电压转换基本电路
（2）比例电路实现电
压/电压转换
前面已经介绍过，如图2.6，是一个反相比例电路，由上述
分析
我们可以知道
由式（2.16）可得，Uo与Ui成比例关系，比例系数为-RL/R，负号表示Uo与Ui反相。比例系数的数值可以是大于、等于和小于1的任何值。因为电
路引入了深度电压负反馈，且1+AF=∞ ，所以输出电阻 Ro=0，电路带负载后运算关系不变。因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以电路的输入电阻Ri=R。可见，虽然理想运放的输入电阻为无穷大，但是由于电路引入的是并联负反馈，反相比例运算电路的输入电阻却不大。
该电路当输入电压变化时，输出电压按一定的比例系数变化，但由于输入电压和输出电压反相，我们可以考虑用同相比例电路将其改进。
如图2.3所示，为一个同相比例电路，由上述分析已经得到输出电压和输入电压的关系式，即
Uo≈(1+
)Ui
输出电压按一定的比例系数和输入电压对应，并且输入电压和输出电压同相，可以完成一定条件下，电压和电压的转换。
在设计指标中要完成0～5V，1～5V标准电压的转换，由于这两个电压标准不成一定的比例关系，因此必须在上述同相比例电路上作一定的改进才能达到指标要求。考虑到输入的上限电压和输出的上限电压是相等的，只是当输入为0V时要求有1V的输出电压，即下限电压提高了，所以考虑在输入端再加一个限压电路，当输入为零时，经过调节使输出有1V，也就是0～1V电压输出必须被滤掉，简单地说是将零点进行了移位。该限压电路考虑采用具有单向导电性的二极管来设计。
2.3.2 原理分析
如图2.10，为一个主要有同相比例电路构成，外加一定限压电路的电压/电压转换电路。
图2.10 电压/电压转换电路
在同相输入端，实际上有两路信号，一路是输入电压Vi，另一路是由二极管构成的一个限压电路。当二极管下端的电压低于它上端的电压时，二极管导通。当输入0V电压时，由于二极管下端电压为零，只要滑动变阻器R6有阻值接入，其上端电压一定大于零，二极管导通。那么正相输入端有一路信号输入，调节滑动变阻器R6和R7,使得输出电压为1V。这样控制了输入输出电压的下限，即输入0V电压时，输出为1V。特别要说明的是，当有1V的输出电压时，输入端的电压必然小于1V，因为根据该同相比例电路所示，前面已经详细讨论过，它的放大倍数为
由上式我们可以得到A≥1，即输出电压一定比输入高。二极管下端电压低于1V，二极管的导通电压为硅管为0.6～0.8V，锗管为0.1～0.3V，那么二极管上端电压只略高于下端电压。可以通过滑变将它控制在大约1V。当输入电压大于1V时，根据理想运放的特性，它的净输入电压为零，则 Vi=Vp,这时二极管下端电压大于1V，二极管截止，即限压电路在此不起作用，输出电压只取决于输入电压。
为了控制输入输出电压的上限，输入5V电压时，调节滑动变阻器R7，使得输出电压为5V。事实上，调节R7，就是在调节运算放大器的放大倍数，当R4+R7等于零时，满足输入电压等于输出电压，即放大倍数为1。所以根据设计，当输入为0～1V时，输出为1V左右；当输入大于1V时，输出电压基本等于输入电压。
2.3.3参数确定
如图2.12，根据上述原理分析,
≈0,滑动变阻器R7可以根据调节使其为零，R4的值可以根据比例关系，只要使得R4〈〈R3，就可使得R4/R3≈0，取R3=100k,R4=1k,R7取20k的滑动变阻器，R2=100k,R5=1k,R1=10k,R6为10K的滑动变阻器，这样调节 R6的阻值，二极管上端的电压将随之改变，同时影响到输出的电压。
2.4 电流/电流转换电路
2.4.1方案确立
在实际应用中，很多时候我们还需将电流信号转化为电流信号。就如这两种标准的电流信号，有时仪器的输出标准不同，必然需要用到标准与标准之间的转换。在电子线路技术中，很少有将电流直接转换成电流的电路，所以考虑先将输入电流转化为电压，再进行电压到电流的转化。前面已经对电压转换为电流的电路作了详细的分析，所以还是采用两个集成运放，由同相加法运算电路和电压跟随器组成，前级加一个电阻和电容并联，使输入的电流在电阻两端产生一个压降，然后输入到集成运放的同相输入端，完成电压到电流的转换，从电路的整体来看，即完成了电流到电流的转换。见下图2.11
电流 电压
图2.11 电流/电流转换框图
同样地，由于标准电流0～10mA和4～20mA，不是成一定的比例关系，当输入为0mA电流时要求输出为4mA的电流，输出电流的下限提高了，所以同样考虑在输入端加一路信号，使得输入电流信号为零时，输出不为零。事实上这也是将零点进行了移位。考虑还是用二极管进行限压。
2.4.2原理分析
如图2.12所示，输入电流在R5两端产生一定的压降，即先将电流信号转化为了电压信号，从集成运放的同相输入端输入，电路引入了负反馈，A1构成同相求和运算电路，A2构成电压跟随器。根据图2.8（c）电压/电流电路的分析，已经得到
（2.17）
式（2.17）中Ui=Ii
R5,所以
（2.18）
得到了输入电流与输出电流的关系式。从式子上分析，输出电流和输入电流成一定的线性关系。由于标准电流0～10mA和4～20mA，不成比例关系，则在输入端加了一路信号进行控制。还是利用二极管的单向导电性进行设计。当输入为零电流时，只要二极管正端有电压存在，二极管导通，将此电压信号输入到集成运放A1的同相输入端，输出一定的电流信号。就是说，只要调节滑动变阻器R2，就可以使得输入为零时，输出不为零。确定输入输出电流的上限时，分析最高输入10mA与最高输出20mA成两倍的关系，可以确定R5/R6的比值。
当输入0～10mA电流时，R5=1k，则有0～10V输入电压；输出为4～20mA电流，根据式（2.18），确定R6为500Ω。输入控制端，R1=1k，R2取5k的变阻器，平衡电阻只要满足R4=R5=R7=R8即可，负载电阻在原理上任意，不过为了控制输出电压的大小，取R=200Ω。
图2.12 电流/电流转换电路
3 总体电路
3.1 各模块电路的基本知识
放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、稳压等功能电路的基本单元电路。
检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，比如高温计输出电压仅有毫伏量级，而细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流甚至只有皮安（pA）量级。对这些能量过于微弱的信号，既无法直接显示，一般也很难作进一步分析处理。通常必须把它们放大到数百毫伏级，才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来。若对信号进行数字化处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。某些电子系统需要输出较大的的功率，如家用音响系统往往需要把声频信号功率提高到数瓦或数十瓦。针对不同的应用，需要设计不同的放大电路，在各路转化电路中，电压电流之间的各种转化都基于一定的输入输出关系。现在就电流—电压，电压—电流，电压—电压，电流—电流的各路转化，根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，对其基本的输入输出关系作一个简单的介绍。
（1） 互阻放大电路
当需要把电流信号转换为电压信号，如前述细胞膜离子通道的微弱电流时，则可利用所谓互阻放大电路，其表达式为
（3.1） 式中Ii为放大电路的输入电流，Vo为输出电压，
为互阻增益，其量纲为Ω。在实际的电流/电压转换中，是先将输入电流转化为电压，再将电压转换为电压输出的。但对于电流输入，电压输出是满足上述表达式的。
（2） 互导放大电路
与前述相反，有时要求把电压信号转换为与之相应变化的电流输出。该转换电路中输入信号取Vi，输出信号取Io，输出对输入的关系可表达为
（3.2）
式中
称为放大电路的互导增益，它具有量纲S。相应地，这种放大电路得名为互导放大电路。在实际电路设计中，如图2.8（c）所示，由分析可知，输入电压和输出电流满足
，在这里1/Ro就是互导增益。
（3） 电压放大电路
在实际应用中，如果只需考虑电路的输出电压Vo和输入电压Vi关系，则可表达为
（3.3）
式中Av为电路的电压增益。这种只考虑电压增益的电路称为电压放大电路。实际上，电压/电压转换电路就是由电压放大电路设计得到的，设计中为满足参数0～5V到1～5V的转换，将电压增益Av设计为1。
（4） 电流放大电路
同样，若只考虑放大电路的输出电流Io和输入电流Ii的关系，则可表达为
（3.4） 式中
为电流增益，这种电路称为电流放大电路。在设计电流/电流转换电路中，是先将电流转换为电压，在进行电压/电流的转换。如图2.12，由原理分析知道Io=IiR5/R6，那么根据上述结论，R5/R6就是电流增益
。
3.2 总体电路
3.2.1总体电路概述
电路总图见附录，第一路通道实现0～5V/0～10mA电压电流的转换；第二路通道实现0～5V/0～10mA和1～5V/4～20mA电压/电流转换；第三路通道实现0～10mA/0～5V和4～20mA/1～5V电流/电压转换；第四路通道实现0～10mA/4～20mA电流/电流转换；第五路通道实现0～5V/1～5V电压/电压转换。
在各通道转换电路的设计中，完成各路的转换主要是靠运算放大器，利用它的许多特性，尤其是对输入信号的放大特性，以及理想运放的理想化参数来分析电路。现在对集成运放做一个必要的介绍。
集成电路运算放大器是一种高电压、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，图3.1表示集成运放的内部电路组成原理框图。图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它得对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。
图3.1 集成电路运算放大器内部组成原理框图
3.2.2集成运算放大器的主要参数
由原理总图可以看出，本设计主要采用集成运放，运放的合适与否直接影响到电路的正常工作和性能指标，为了正确地挑选和使用集成运放，搞清它的参数的含义有着重要的意义，现分别介绍如下：
- 输入失调电压
一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。在室温（25℃）及标准电源电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压
。实际上指输入电压Vi=0时，输出电压Vo折合到输入端的电压的负值，即
=-（Vo│Vi=0）/Avo。
的大小反应了运放制造中电路的对称程度和电位配合情况。
值愈大，说明电路的对称程度愈差，一般约为±（1～10）mV。 - 输入偏置电流
BJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入电流IBN和IBP。输入偏置电流是指集成运放输出电压为零时，两个输入端静态电流的平均值，当Vo=0时，偏置电流为
输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT的性能，当它的β值太小时，将引起偏置电流增加。从使用角度来看，偏置电流愈小，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是重要的技术指标。一般为10nA～1μA。
- 输入失调电流
在BJT集成电路运放中，输入失调电流指当输出电压为零时流入放大器两端的静态基极电流之差，即 由于信号源内阻的存在，
会引起一定输入电压，破坏放大器的平衡，使放大器输出电压不为零。所以，希望
愈小愈好，它反映了输入级差分对管的不对称程度，一般约为1nA～0.1μA。 放大器的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：
①输入失调电压温漂Δ
/ΔT 这是指在规定温度范围内
的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。Δ
/ΔT不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低漂移的器件来组成，一般约为±（10～20）μV/℃。 ②输入失调电流温漂Δ
/ΔT 这是指在规定温度范围内
的温度系数，也是对放大电路电流漂移的量度。同样不能用外接调零装置来补偿。高质量的每度几个pA。 所指的是集成运放的反相和同相输入端所能承受的最大电压值。超过这个电压值，运放输入级某一侧的BJT将出现发射结的反向击穿，而使运放的性能显著恶化，甚至可能造成永久性损坏。利用平面工艺制成的NPN管约为±5V左右，而横向BJT可达±30V以上。
这里指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。一般指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，高质量的运放可达±13V。
是指运放所能输出的正向或负向的峰值电流。通常给输出端短路的电流。
是指集成运放工作在线性区，接入规定的参数，无负反馈情况下的直流差模电压增益。Avo与输出电压Vo的大小有关。通常是在规定的输出电压幅度（如Vo=±10V）测得的值。Avo又是频率的函数，频率高于某一数值后、Avo的数值开始下降。
- 开环带宽BW(
)
开环带宽BW又称为-3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率
。
- 单位增益带宽BWG（
）
对应于开环电压增益Avo频率响应曲线上其增益下降到Avo=1时的频率，即Avo为0dB时的信号频率
，它是集成运放的重要参数。 转换速率是指放大电路在闭环状态下，输入为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化速率，表示集成运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的SR也就愈高。
在了解了集成运放的各项参数后，对电路的调试也起着非常重要的作用。
3.2.3 理想集成运放
在各个转换模块电路中，利用集成运放作为放大电路，引入各种不同的反馈，构成了完成不同电流电压转换的电路。在分析各路转换电路时，经常运用到近似的概念，例如分析中把运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于零，电压近似相等 ，即运用了“虚短”和“虚断”的概念。对于设计的各路转换电路是运放工作在线性区的应用电路，“虚短”和“虚断”是分析其输入信号和输出信号关系的两个基本出发点。这样的分析是把集成运放的性能指标理想化，即将其看成为理想运放，这不仅方便了电路的分析，更对集成运放的特性进行了很好地剖析。集成运放的理想化参数是：
- 开环差模增益（放大倍数）：无穷大
- 差模输入电阻：无穷大
- 输出电阻；零
- 共模抑制比：无穷大
- 上限截止频率：无穷大
- 失调电压：零
- 失调电流：零
- 失调电压温漂：零
- 失调电流温漂：零
实际上，集成运放的技术指标均为有限值，理想化后必然带来分析误差。但是，在一般的工程计算中，这些误差都是允许的。而且，随着新型运放的不断出现，性能指标越来越接近理想，误差也就越来越小。因此，只有在进行误差分析时，才考虑实际运放有限的增益、带宽、共模抑制比、输入电阻、失调因素等所带来的影响。
3.3 器件简介
3.3.1高精度单运放OP-07
在毫伏级或更低的微弱信号检测、精密模拟计算、自动控制仪表、温度转换器、高精度集成稳压器、高增益交流放大器等电路中，均需使用高精度运放。OP-07是双电源供电低噪声高精度集成运放。高精度集成运放主要是指漂移和噪声低，增益和共模抑制比非常高的集成运放。有时也称它们是低漂移集成运放或低噪声集成运放。
所谓低漂移集成运放，主要是指输入失调电压和输入失调电流随温度、时间、电源电压变化而漂移很小的集成运放。漂移构成运放的直流输入误差信号。低漂移集成运放其输入失调电压达到μV/℃以下，而通用运放一般在μV/℃；输入失调电流达到pA/℃，而通用运放一般在nA/℃。
低噪声集成运放主要是指噪声很低的集成运放。噪声包括等效输入噪声电压和等效输入电流。噪声构成运放的交流输入误差信号。
（1） 型号：（国产）5GOP07，（美国）PMIOP07
（2） 封装引脚图(如图3.2)：
图3.2 OP-07封装引脚图
IN-：反向输入端
IN+：同向输入端
OUT：输出端
NC： 空脚
OA1、OA2：调零端
V+： 正电源端
V-： 负电源端
电源电压范围：±3～±18 V
差模输入电压范围：±13V
共模输入电压范围：±14V
开环电压放大倍数：4×10³×10² 
共模抑制比：126dB
差模输入电阻：80MΩ
输出电阻：60Ω
单位增益带宽：1.2MHz
静态功耗：120mW
输入失调电压：60μV
输入失调电压温漂：0.7μV/℃
输入失调电压时漂：0.5μV/月
输入失调电流：0.8nA
输入失调电流温漂：12pA/℃
OP07除能在±3～±18 V电源电压下工作外，还可在低电压2～3V单电源下进行交流放大。单电源电压下放大交流5KHz正弦波时，输出电压有效值对应关系如表3.1
表3.1 OP-07电源电压与输出电压对应关系
OP07集成运放只要早外围接入一些电阻，电容等器件,就可以构成不同的典型电路，比如单电源交流反相放大器电路，单电源交流同相放大器电路，单电源直流放大器电路，热电耦放大器电路，直流微电流放大器电路，测量放大器，精密绝对值放大器电路，文氏桥正弦振荡器等。
3.3.2 8050三极管（功率放大管）
在电压电流转换电路中，三极管选择两个8050用作电流放大。8050三极管的极限参数如下：
- 最大集电极耗散功率
：1瓦（w） - 最大集电极电流
: 1.5mA - 极间反向击穿电压
：25V - 特征频率
：190 MHz - 放大倍数：85—300
3.3.3 IN4007二极管
主要参数：
（1）额定正向工作电流：1A。
（2）最高反向工作电压：50V
4 电路的安装与调试
4.1 电路的安装及调试准备
在电路板的制作过程中，尽可能地按电路原理图中元器件的排列顺序进行布件，使各模块电路清晰，便于调试和分析。在整个电路安装完毕后，分别对各个模块电路进行调试。在这之前，先进行通电前的检查，确定各部分电路是接线正确，电源、地线、信号线、元器件的引脚之间无短路，元器件没有接错，尤其是集成芯片OP-07的安装。然后进行通电检查，接入电路所要求的电压,电源电压接入±15V，观察电路中各部分的器件有无异常。尤其观察芯片是否过热，如果过热很有可能会被烧坏，则要降低电源电压。在调试前，经过仔细而谨慎地检查，确信电路基本正常。
4.2 电路的调试
根据各模块电路的原理介绍，在调试的过程中根据设计指标，合理改变一定的参数，使输出输入按一定的规律变化。把总的电路按上述模块实现的功能电路分别进行安装和调试。
4.2.1电压/电流转换电路的调试
参照原理总图（见附录），通过对多路开关的切换，对电路进行一路一路调试。先将±15V电源接入，运放开始工作。
- 0～5V/0～10mA转换电路的调试
- 拨通第一路多路开关，如图2.8（b）所示转换电路。先进行运放电路的调零，
将输入信号接地，调节滑动变阻器使得输出也为零。改变输入电压的值，观察输出电流随输入的变化而变化，说明电路可以正常工作。当输入电压Vi=1V时,输出电流为Io=2.89mA,这与输出电流的原理值2mA有较大的误差。由原理分析知道：
，输出电流的大小与反馈电阻R4和输入平衡电阻R1有关，由于输出电流比理论电流值高，要使它减小，可以减小R4或者增大R1的值。改变反馈电阻，将它与一个18K的电阻并联，其替换电阻小于10k,再次测量当输入为1V电压时，输出电流测得2.65mA。虽然还存在着一定的误差，但明显有了很大的改观。由于输入与输出有一定的范围控制，在理论与实际相结合的情况下分析，反馈电阻不能太小，一旦过小，当输入为上限电压时，很难达到输出上限。最终测得输入电压和对应输出电流的数据如表4.1所示；
表4.1 0～5V/0～10mA转换电路测量数据
根据上表数据，作出此电压/电流转换电路的输入输出曲线图，如图4.1所示：由曲线可以看到，当电压输入在1～3V时，输出电流与理论的误差最大。
图4.1 0～5V/0～10mA转换电路对应曲线
②拨通第二路多路开关，如图2.8（c）为实现0～5V/0～10mA的转换，先将Ro=510Ω接入电路中，当输入为零电压时，用万用表测量输出电压的大小，发现输出为-14.79V，改变输入电压的值，输出恒为-14.79V不变。再次检查该电路的器件安装，发现没有问题。测量用作同相求和运算电路的OP-07的各引脚电压，测得如下数据，见表4.2所示：
表4.2 A1引脚电压测量值
Uo1=Up1(6脚电压大约为3脚电压的两倍)，这一点在允许误差的情况下基本满足要求。再测量用作电压跟随器的OP-07的各引脚电压，测得如下数据，见表4.3所示：
表4.3 A2引脚电压测量值
原理上Un2=Uo2(6脚电压等于2脚电压)，符合理论推导，计算Ro两端电压即为Uo1-Up2=-13.34-(-14.79)=1.45V,由原理分析，知道
，可是电路的输出始终不随输入的变化而变化，电路不可调。在确信两个OP-07都能正常工作的情况下，再次分
析电路原理，发现没有问题。考虑到电路的先决条件，即要求四个电阻平衡，即R1=R2=R3=R4，若四个电阻有误差很有可能引起电路的失调，使它不能完成预期的功能。将四个电阻一并换过，再次测量电路的输出电压，当输入为零时，输出也为零；当改变输入电压时，输出也随之改变，电路能正常工作。记录测量数据如表4.4所示：
表4.4 0～5V/0～10mA转换电路测量数据
根据上表数据，作出电压/电流转换电路输入输出对应曲线，如图4.2所示。由曲线图可以看出，输入电压和输出电流在规定范围内按线性变化，该转换电路具有很好的线性。
图4.2 0～5V/0～10mA转换电路对应曲线
多路开关还是接通第二路，将拨码开关换到另一端，即将Ro=240Ω（原理上Ro=250Ω）接入电路，测量输入电压为1～5V时的输出电流，得到如表4.5所示数据：
表4.5 1～5V/4～20mA转换电路测量数据
根据上表作出1～5V/4～20mA电压/电流转换电路的坐标曲线，如图4.3所示。由曲线可以看出电路具有较好的线性，在某一小范围内有少许偏差。
图4.3 1～5V/4～20mA转换电路对应曲线
4.2.2 电流/电压转换电路
拨通第三路多路开关，见图2.2，为实现0～10mA/0～5V的转换，先将R4=150k接入电路中；调节调零电阻，使得在零输入时，输出信号也为零。当输入电流变化时，输出电压也随之改变，说明电路工作正常。测量当输入电流为0～10mA时，输出电压的值，如下表4.6所示：
表4.6 0～10mA/0～5V转换电路测量数据
根据表4.6作出0～10mA/0～5V电流/电压转换电路的对应曲线图，如图4.4所示。由曲线可以看出，该转换电路具有良好的线性。
图4.4 0～10mA/0～5V转换电路对应曲线
将拨动开关拨到另一端，将R4=25k接入电路中；同样调节调零电阻使得零输入时，满足零输出。测量当输入为4～20mA时，输出的电压值，如表4.7所示：
表4.7 4～20mA/1～5V转换电路测量数据
由表4.7作出4～20mA/1～5V电流/电压转换电路的对应曲线图，如图4.5所示。由曲线可以看出，该转换电路具有良好的线性。
图4.5 4～20mA/1～5V转换电路对应曲线
4.2.3电压/电压转换电路的调试
拨通第四路多路开关，见图2.10，调节调零变阻器，使得输入为零时，输出信号也为零。在输入为零的前提下，调节滑动变阻器R6的值，使得输出电压为1V；在将输入电压改为5V，调节R7，使得输出电压为5V，但是发现，将滑动变阻器调到一端时，输出电压还是大于5V。从原理上分析，由于R4的存在，即使滑动变阻滑到一端，即不接入任何阻值，运放的放大倍数始终要略大于1，所以尽可能减小R4的阻值，使输出近似等于输入。所以当输入为5V,输出电压也略大于5V。考虑如果把R4去掉，调试中将R4短路，那么理论上将满足输出电压等于输入电压。测量当输入从0～5V变化时，输出电压的值，数据记录如表4.8所示：
表4.8 0～5V/1～5V转换电路测量数据
由表4.8，作出0～5V/1～5V电压/电压转换电路的曲线图，如图4.6所示。由曲线分析，当输入为0～1V时，输出电压在1V左右，变化不大；当输入为1～5V时，输出也为1～5V。基本实现了零点的移位，输入输出比例为1。
图4.6 0～5V/1～5V转换电路对应曲线
4.2.4电流/电流转换电路的调试
将多路开关拨通第五路，见原理图2.12，调节调零电阻和滑动变阻器R2，当输入为0时，输出为9.37V，改变输入电流的大小，输出电压始终保持在9.37V不变。考虑到可能遇到与电压/电流转换电路一样的问题，把四个平衡电阻重新换了一遍，重新测量，输出随输入电流的改变而改变。调节滑动变阻器，使得输入为零时，有电流输出，并调节使之为4mA。测量数据如下表所示（负载电阻为200Ω）
表4.9 0～10mA/4～20mA转换电路测量数据
根据表4.9作出0～10mA/4～20mA电流/电流转换电路曲线图，如图4.7所示。由曲线可以分析，当输入电流为0～2mA时，输出电流基本保持不变，当输入为2～10mA时，输出电流是输入电流的两倍关系。进行了零点电流的移位，完成了0～10mA/4～20mA电流的转换。
图4.8
图4.7 0～10mA/4～20mA转换电路对应曲线
4.3 测量结果分析
各路通道电路在一定的输入范围下能按一定的比例输出，各路转换电路都具有较好的线性关系。但由于器件本身的性能、原理上设计的电阻大小和实际的电阻有一定出入，以及仪器设备的误差，使得实际测量到的数据和理论一定的误差。
在电压/电流转换电路中，0～5V/0～10mA的转换采用了两个不同的电路来实现，见原理总图的第一和第二路转换电路，即原理电路图2.8（b）和图2.8（c）。由上述的数据记录和曲线分析，可以发现第一路转换电路的线性不如第二路转换电路好。这是因为在第一路转换中运用了两个NPN三极管，并需要+15V的直流供电电压使三极管正常工作。三极管的主要参数如电流放大倍数，极间反向电流以及极限参数都将影响三极管在电路中的可靠性，而这些特性是三极管本身所具有的，在电路的调试中不能改变。还有该电路输入电压和输出电流的比例关系又三个电阻决定，即输入平衡电阻R1,反馈电阻R4和Rf。在实际电路中，电阻的阻止与其本身的标定值也有一定的误差，这是在制造工艺时很难避免的误差。而第二路转换电路，即由两个集成运放OP-07构成的，根据原理分析，输入电压与输出电流的关系只取决于Ro电阻，这样大大减少了误差，线性度也大大提高了。在1～5V/4～20mA的转换中，由于实际的电路中Ro只有240Ω,而实际电路参数设计中Ro为250Ω，所以测得的数据略偏大。
在电压/电压转换电路中，见原理总图的第四路转换电路。虽然将R4进行了短接，但由于滑动变阻本身的性能问题，当将其调到一端时，它的电阻也不为零，所以导致了输入5V电压时，输出电压略大于5V,存在一点误差。
5 结论
参考文献
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[12] Thomas L.Floyd: Electronic Device,5th ed, Prentice-Hall Inc, New Jersey,1999
附 录
附录一：总原理图
附录二：PCB图
（2.13）
图
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