楊梅 劉學(xué)軍 張緯蓉 彭云聰

摘要：文章旨在設(shè)計并實現(xiàn)一種mA級的光輸入電流轉(zhuǎn)換為0～5V電流/電壓（IV）轉(zhuǎn)換電路，并將誤差控制在5%以內(nèi)。設(shè)計采用電路驅(qū)動光電管完成電流到電壓信號的轉(zhuǎn)換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路的設(shè)計完成電壓信號的放大、濾波處理。經(jīng)實驗測量不同頻率下，輸出信號各項參數(shù)符合要求，在工程實踐中可以作為一種性能良好的IV轉(zhuǎn)換電路加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電流轉(zhuǎn)電壓;光電管;濾波

本文設(shè)計一種基于光電二極管的電流電壓轉(zhuǎn)換及電壓放大的電路。首先完成光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其次考慮到電信號電流較為微弱，采用設(shè)計合理放大電路，實現(xiàn)4～20mA的輸入電流信號轉(zhuǎn)化為0～5V的輸出電壓信號的電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換電路。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計與分析

（一）總體設(shè)計思路

根據(jù)電路系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，選用LF353和OPA277放大器設(shè)計實現(xiàn)一個mA級電流轉(zhuǎn)換成0-5V的輸出直流電壓的轉(zhuǎn)換器電路，同時保證5%以內(nèi)的誤差要求。

（二）I/V轉(zhuǎn)換原理

系統(tǒng)電路設(shè)計如圖所示，圖1中為了避免產(chǎn)生誤差給電阻R2和R3并聯(lián)一個47pF級的電容C3。

OPA277是雙電源工作，管腳7和4為正負(fù)電源，每個引腳需要兩個0.1uF電容器（C2，C5）進(jìn)行高頻濾波，以避免干擾等因素。所述的兩個旁路電容C4和C6，C4是減小帶寬，C6是減少電路中的1/f噪聲，如圖2所示。

（三）差分放大電路

差分放大電路，能夠抑制共模信號，原理圖采用T型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于信息反饋電阻可以擴(kuò)展（1+R3/R2）倍，即可減少熱噪音問題和運(yùn)放輸入偏執(zhí)電流的影響。電路設(shè)計采用OPA277放大器，轉(zhuǎn)換關(guān)系不受負(fù)載影響，但芯片限值影響輸入電壓。R2、R3形成閉合回路，當(dāng)光通過二極管照進(jìn)端子時，提取背景噪聲環(huán)境里產(chǎn)生的前置放大器的小信號。將輸入電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，根據(jù)運(yùn)放的虛短路，虛斷路，輸入電流，流經(jīng)滑動變阻器R4并形成輸出信號Vout。根據(jù)圖3所示，將電壓通過LF353放大器進(jìn)行前置放大。若要加大管理模塊放大倍數(shù)的輸出，只需要增益R15和R16的值。

二、采集放大器

（一）OPA277放大器

將OPA277放大器作為U1，可以保證更寬的輸入電壓擺動。

（二）LF353放大器

LF353作為放大前置電信號的放大器，成本較低，速率較快。輸入運(yùn)算放大器有一個內(nèi)部調(diào)整的輸入偏置電壓（雙場效應(yīng)管技術(shù)）。

（三）光電二極管

本實驗用到的光電二極管，是一個半導(dǎo)體器件，是單向?qū)щ姷?。原理為?dāng)光線照射到端子上時，將光能轉(zhuǎn)換為電能。光線越弱，反向電流越小，反之越大。

（四）噪聲處理

根據(jù)圖4所示，Ra，Ca為光電二極管。Ini，Cni相關(guān)特性，噪聲譜密度為Cnor2=4KTRf，K=1.38J/K。

從圖中可知： Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

噪聲密度為：I2no=2qi;

噪聲電流為：I2=2qI△f;

輸出噪音為：E2noi=2qi△fRf2;

（五）降噪

如圖5所示，隨著頻率變化，U2變成了衰減器。低頻時，放大器減低了誤差;中頻時，衰減模式獲得增;高頻時，C1短路，Ucl=-R1/R2，高頻衰減。

（六）根據(jù)以上分析，設(shè)計以下系統(tǒng)電路圖（如圖6所示）

三、電路系統(tǒng)的應(yīng)用及檢測

不同頻率下IV轉(zhuǎn)換變化情況：

1. 在1Hz頻率時，如圖7所示。

2. 在1KHz頻率時，如圖8所示。

3. 在10KHz頻率時，如圖9所示。

4. 在100KHz頻率時，如圖10所示。

四、結(jié)語

本設(shè)計使用常見集成運(yùn)算放大器、成本低，器件容易獲得?；诠怆姽芡瓿晒怆娹D(zhuǎn)換，采用前置放大電路、差分放大電路和濾波電路完成電壓信號的放大、濾波處理。實現(xiàn)一種mA級的光輸入電流轉(zhuǎn)換為0～5V電壓的功能，誤差不超過5%。經(jīng)實驗測量不同頻率下，輸出信號各項參數(shù)符合要求，在工程實踐中可以作為一種性能良好的IV轉(zhuǎn)換電路加以應(yīng)用。

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（作者單位：西安交通工程學(xué)院中興通信學(xué)院）