电流电压转换器的制作与调试

1、目录 第 1 章 电流/电压（I/V）转换器的制作与调试 .2 1.1 设计任务. 21.2 总体设计方案. .2 1.3 系统分析与设计.2 1.3.1 电路原理.21.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 . 3 1.5 系统安装、调试与参数测量 . 41.6 改进意见与收获体会 . 4第 2 章 电压/电流（V/I）转换器的制作与调试 .5 2.1 设计任务.5 2.2 总体设计方案.5 2.3 系统分析与设计. 7 2.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 .72.5 系统安装、调试与参数测量 . 82.6 改进意见与收获体会 . 8 第 3 章 声控式音乐彩灯控制器的制作与调试

2、.10 3.1 设计任务. 103.2 总体设计方案. 10 3.3 系统分析与设计. 10 3.3.1 电路原理. .10 3.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 .103.5 系统安装、调试与参数测量 .10 3.6 改进意见与收获体会 .12 第1章 电流/电压（I/V）转换器的制作与调试1.1 设计任务熟悉有关运放的各类应用电路，按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。将 010 毫安电流信号转换成 010 伏电压信号。设计实现这一要求的电流/电压转换电 路，误差控制在 5%以内。 1.2 总体设计方案（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

3、限幅等保护 措施。 （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。利用运算放大器 进行对输入信号的放大。将输入电流信号转变为电压信号，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。 此设计利用运算放大器与电压的并联负反馈制作转换器， 使输入的一定量的 电流通过电路的作用在输出端输出一定的电压， 制作并调试一个电流输入电压输 出的电流/电压（I/V）转换器。 1.3 系统分析与设计 1.3.1 电路原理电路采用电压并联负反馈和运放的虚短虚断性质， 在输入端用一个较小的电 阻 R 采集电流，使输入电流基本完全通过电阻，既而输入电流转化为 R 两端电 压输入

4、，并通过一个比例运算放大电路控制电压增益，得到一个输入电流和输出 电压的关系式 。-15V 电压那个支路是用来调零的：当电流 Ii=0 时，调整电位器 使 V0=0(设左下角 10k 电位器电压为 Vip)。 输入端电阻 R 为电流采样电阻， 很小 (电流表内阻越小越好)，且一定满足 R<<100k，故 Ii 在 R 上产生电压。设 R 上 端电位为 Vi1，R 下端电位为 Vi2，所以 Ii*R=(Vi1-Vi2)。右边 10k 负责调整增益 的，设右边 10k 电位器可调端电压为 Vop，2 个 2k 电阻与 100k 电阻的连接节点 2 电位设为 Vn(上面的)和 Vp。输入

5、输出关系推导如下：由运放虚断，则 2 个 2k 电阻上无电流，有： (Vi1-Vn)/100k=(Vn-Vop)/200k （式 1） (Vi2-Vp)/100k=(Vp-Vip)/200k (式2)由运放虚短，则 Vn=Vp （式3）联立 3 个方程，得 Vop=Vip-2(Vi1-Vi2)=Vip-2*Ii*R 设右边 10k 电位器上半边电阻为 Rup，下半边电阻为 Rdown，因为右边 10k<<200k(最上边的)，故 200k 的分流可忽略。则 Vop 是电位器分压 Vo， Vop=Rdown×Vo÷(Rup+Rdown)=Rdown×Vo

6、÷10k 所以 Vo=(10k/Rdown)*Vop=(10k/Rdown)*(Vip-2*Ii*R) 1.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单电路图如下：图1.2 电压电流转换器 表 1.2 元器件清单名称规格数量电阻100K3 电阻2K2电阻200K2滑动变阻器10K2运算放大器op071导线若干表 1.3 仪器仪表清单名称数量直流稳压电源1数字万用表1电流源1电路板11.5 系统安装、调试与参数测量调节调零电阻，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。 按实验电路图焊接各个元器件，通过仪器仪表输入所需电流，在输出端测试 所要测

7、量的电压，正确完成其调试，并记录数据表格如下：表 1.4 参数测量电流信号（毫安）0246810电压信号（伏）02.074.136.188.1810.12理论电压信号（伏）02468101.6 改进意见与收获体会 改进意见：电路板上元件距离分布不是太合理导致焊接路线的导线杂乱很难检 测，稍有不注意容易短路造成器件损坏。 收获： 学会了电流电压转换器的设计方法和性能指标测试方法， 培养了实践技能， 提高了分析和解决实际问题的能力。 第 2 章 电压/电流（V/I）转换器的制作与调试 2.1 设计任务熟悉有关运放的各类应用电路，按设计要求写出设计过程和调试过程及步骤。将 010 伏电压信号转换成

8、010 毫安电流信号。设计实现这一要求的电压/电流转换电 路，误差控制在 5%以内。 2.2 总体设计方案（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2.1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

9、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 I = IL = Ui R （2.3） 式（2.3）表明负载电流 I L 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。（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2.2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

10、电位UnUp,电流InIp0,因此在结点N的电流方程为 Ui ?Un Un ?U0 = R1 R2 因而N点的电位 Un ? ( (2.4) 结点P的电流方程 Ui U0 + ) * Rn R1 R2 ( Rn = R1 / R2 ) Up R 因而P点电位 + io = Uo ?U p R3 Up = ( (2.5) Uo ? io ) * ( R / R3 ) R3 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

11、设计。 R1 Ui N A R3 Uo P RL R Io 图 2.2 （3）实用电压/电流转换电路 豪兰德电流源电路 6 结合以上分析，采用图 2.3 的方案 2.3 系统分析与设计图 2.1 中，Vi 是输入电压，经过运算放大器放大信号到输出端，可调电阻 W1 是调零用的，以消除电路的零点误差，可调电阻 W2 是调放大倍数用的，Rl 是负载电阻，允许在一定范围内变化，Io 是输出电流。运算放大器的引脚接法如 下：2 接反向输入端，3 接正向输入端，4 接反向电压，6 接输出端，7 接正向电 压。 电阻 R3 引入电压串联负反馈， 电阻 R4 引入电压并联正反馈。 由虚短： V1=V2， 由

12、同相端虚断：(Vi-V1)/R1=(V1-V4)/R4 => 即：Vi-V1=V1-V4，由反相端虚断： (Vp-V2)/R2=(V2-V3)/R3 => 即：Vp-V2=V2-V3，所以：Vi-Vp=V3-V4，由节点 V4 的 KCL 关 系 有 ： (V3-V4)/W2+(V1-V4)/R4=Io ， 所 以 ： Io=(Vi-Vp)/W2+(V1-V4)/R4， 再由于 W2<<R4， 忽略 R4 的电流， Io(Vi-Vp)/W2。 则 总电路图、元器件清单、 2.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单参考电路图如下：图 2.3 电压电流转换器 表 2.1元器

13、件清单名称符号规格数量电阻R1,R2,R3,R4100K4电阻3K1电阻Rl1滑动变阻器W1,W21K2运算放大器op071导线若干表 2.2 仪器仪表清单名称数量直流稳压电源2数字万用表1电路板12.5 系统安装、调试与参数测量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

14、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。 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。 按实验电路图焊接各个元器件，通过仪器仪表输入所需电流，在输出端测试 所要测量的电流，正确完成其调试，并记录数据表格如下：表 2.3 参数测量 电压信号（伏）0246810电流信号（毫安）0.321.913.925.937.969.12理论电流信号（毫安）02468102.6改进意见与收获体会改进意见： 电路板上元件距离分布不是太合理导致焊接路线的导线杂乱很难检测， 稍有不注 意容易

15、短路造成器件损坏。 收获： 学会了电流电压转换器的设计方法和性能指标测试方法， 培养了实践技能， 提高了分析和解决实际问题的能力。 第3章 3.1 设计任务 声控式音乐彩灯控制器的制作与调试 熟悉各类电路和相关器件的功能作用， 按设计要求写出设计过程和调试过程 及步骤。设计一种声控式音乐彩灯控制电路，通过声音的大小控制灯的亮度； 3.2 总体设计方案本设计由桥式整流电路、压电陶瓷、可控硅等组成一个声控式音乐彩灯控制 器的电路 3.3 系统分析与设计 3.3.1 电路原理由 D1D4 组成桥式整流电路，输出直流电压经电阻 R1 限流电容 C 滤波使 发光管 LED 点亮发光，指示电路工作。此时

16、LED 两端将得到 1.6V 左右的直流 压降，作为控制回路 VT 的工作电压。W 和 R2 作为三极管 VT 的集电极负载， 调整 W 阻值大小使 VT 集电极刚好处于饱和导通状态。此时 VT 集电极即可控 硅 SCR 的控制端为低电位，SCR 阻断，彩灯不亮。如环境有音乐声波信号，经 压电陶瓷片 HTD 拾取后，即输出相应电信号加到 VT 的基极和发射极之间，其 信号负半周使 VT 的集电极电流减小，VT 退出饱和导通状态而进入放大状态， 这时集电极电位变高，SCR 控制端获得触发电压而导通，彩灯 H 点亮。故彩灯 能随 HTD 输出电信号即声波场强变化而闪烁， 调节 W 可改变控制器的声

17、控灵敏 度。 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单 3.4 总电路图、元器件清单、仪器仪表清单参考电路图如下：图 3.1 声控式音乐彩灯控制器的制作与调试表 3.1 元器件清单:名称符号规格数量电阻R1 82K1电阻R24.7K1电阻R32M1滑动变阻器W118K1电容C22uF1发光管LED1三极管VT1可控硅SCR1二极管D1,D2,D3,D41N40014灯泡1导线若干表 3.2 仪器仪表清单:名称数量220V 电压源1数字万用表1电路板1 3.5 系统安装、调试与参数测量完成制作后，即可通电调试。接上 220V 交流电后，LED 应发光指示。将电 位器 W 的阻值由大逐渐调小，当调到某一

18、点时，彩灯 H 会常亮不闪，此时可把 11 W 往回调，即阻值稍大使彩灯 H 刚好熄灭，次位置为声控灵敏度最高位置，加 大 W 灵敏度则逐渐减小。如果调小 W, 彩灯 H 始终不能点亮, 排除元器件故障 和接线错误外, 则是由于 VT 始终处于饱和导通状态, 故 SCR 一直处于关断态。 此时可换用值稍小的管子或者增大电阻 R3 的阻值, 减小 VT 的基极电流来解 决； 如果 W 无论处于何位置, 彩灯 H 总是常亮不闪, 这是由于 VT 不能进入饱和 导通状态, 集电极始终为高电位, 故 SCR 一直开通。 这时可换用值大一些的管 子来代换, 或将 R3 阻值减小。总之要求 W 应有这样一个调节范围, W 调小到某 一位置时, 灯会亮不闪, W 调大则灯熄灭。 使用时, 将控制器放置在音响设备喇叭附近, 调整 W，就可以使彩灯随音乐 节奏而闪烁。 3.6 改进意见与收获体会改进意见： 学校提供电路板和元件时是全新的， 便于学生自己规划焊接， 避免出现某些元件是坏的造成 调试时达不到原来预期期望，这样给学生和老师都带来麻烦！ 收获体会： 1、了解了元件可控硅的内部结构及引脚的动能，对于该元件的应用有了进一步 认识 2、学会了如何处理问题，检查元器件是否损坏。 3、掌握了声控彩灯的工作原理 参考资料： 1模拟电子技术基础，中国电力出版社