電壓/電流與電壓/頻率轉換電路（V/I、V/F電路）

　　1電壓/電流轉換電路

　　電壓/電流轉換即V/I轉換，是將輸入的電壓信號轉換成滿(mǎn)足一定關(guān)系的電流信號，轉換后的電流相當一個(gè)輸出可調的恒流源，其輸出電流應能夠保持穩定而不會(huì )隨負載的變化而變化。V/I轉換原理如圖1。

　　由圖1可見(jiàn)，電路中的主要元件為一運算放大器LM324和三極管BG9013及其他輔助元件構成，V0為偏置電壓，Vin為輸入電壓即待轉換電壓，R為負載電阻。其中運算放大器起比較器作用，將正相端電壓輸入信號與反相端電壓V-進(jìn)行比較，經(jīng)運算放大器放大后再經(jīng)三極管放大，BG9013的射級電流Ie作用在電位器Rw上，由運放性質(zhì)可知：

　　V-=Ie·Rw=(1+k)Ib·Rw

　　(k為BG9013的放大倍數)

　　流經(jīng)負荷R的電流Io即BG9013的集電極電流等于k·Ib。令R1=R2，則有

　　V0+Vm=V+=V-=(1+k)Ib·Rw=(1+1/k)Io·Rw

　　其中k》1，所以Io≈(Vo+Vin)/Rw。

　　由上述分析可見(jiàn)，輸出電流Io的大小在偏置電壓和反饋電阻Rw為定值時(shí)，與輸入電壓Vin成正比，而與負載電阻R的大小無(wú)關(guān)，說(shuō)明了電路良好的恒流性能。改變V0的大小，可在Vin=0時(shí)改變Io的輸出。在V0一定時(shí)改變Rw的大小，可以改變Vin與Io的比例關(guān)系。由Io≈(V0+Vi)/Rw關(guān)系式也可以看出，當確定了Vin和Io之間的比例關(guān)系后，即可方便地確定偏置電壓V0和反饋電阻Rw。例如將0～5V電壓轉換成0～5mA的電流信號，可令V0=0，Rw=1kΩ，其中Vo=0相當于將其直接接地。若將0～5V電壓信號轉換成1～5mA電流信號，則可確定V0=1.25V，Rw=1.25kΩ。同樣若將4～20mA電流信號轉換成1～5mA電流信號，只需先將4～20mA轉換成電壓即可按上述關(guān)系確定V0和Rw的參數大小，其他轉換可依次類(lèi)推。

　　為了使輸入輸出獲得良好的線(xiàn)性對應關(guān)系，要特別注意元器件的選擇，如輸入電阻R1、R2及反饋電阻Rw，要選用低溫漂的精密電阻或精密電位器，元件要經(jīng)過(guò)精確測量后再焊接，并經(jīng)過(guò)仔細調試以獲得最佳的性能。我們在多次實(shí)際應用中測試，上述轉換電路的最大非線(xiàn)性失真一般小于0.03%，轉換精度符合要求。

　　2電壓/頻率轉換電路

　　電壓/頻率轉換即V/F轉換，是將一定的輸入電壓信號按線(xiàn)性的比例關(guān)系轉換成頻率信號，當輸入電壓變化時(shí)，輸出頻率也響應變化。針對煤礦的特殊要求，我們只分析如何將電壓轉換成200～1000Hz的頻率信號。

　　實(shí)現V/F轉換有很多的集成芯片可以利用，其中LM331是一款性能價(jià)格比較高的芯片，由美國NS公司生產(chǎn)，是一種目前十分常用的電壓/頻率轉換器，還可用作精密頻率電壓轉換器、A/D轉換器、線(xiàn)性頻率調制解調、長(cháng)時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。由于LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個(gè)工作溫度范圍內和低到4.0V電源電壓下都有極高的精度。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達100dB;線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于0.01%，工作頻率低到1Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性;變換精度高，數字分辨率可達12位;外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度。LM331可采用雙電源或單電源供電，可工作在4.0～40V之間，輸出可高達40V，而且可以防止Vs短路。圖2是由LM331組成的典型的電壓/頻率變換器。

　　其輸出頻率與電路參數的關(guān)系為：

　　Fout=Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)

　　可見(jiàn)，在參數Rs、R1、Rt、Ct確定后，輸出脈沖頻率Fout與輸入電壓Vin成正比，從而實(shí)現了電壓-頻率的線(xiàn)性變換。改變式中Rs的值，可調節電路的轉換增益，即V和F之間的線(xiàn)性比例關(guān)系。將1～5V的電壓轉換成200～1000Hz的頻率信號，電路參數理論值為R=18kΩ，Ct=0.022uF，R1=100kΩ，Rs=16.5528kΩ，由于元器件與標稱(chēng)值存在誤差，在電路參數基本確定后，通過(guò)調節Rs的電位器，可以實(shí)現所需V/F線(xiàn)性變換。

　　由Fout=Vin·Rs/(2.09·R1·Rt·Ct)可知，電阻Rs、R1、Rt和電容Ct直接影響轉換結果Fout，因此對元件的精度要有一定的要求，可根據轉換精度適當選擇，其中Rt、Ct、Rs、R1要選用低溫漂的穩定元件，Cin可根據需要選擇0.1uF或1uF。電容C1對轉換結果雖然沒(méi)有直接的影響，但應選擇漏電流小的電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉換精度。電路中的47Ω電阻對確保電路線(xiàn)性失真度小于0.03%是十分必須的。

　　圖2電路是將1～5V的電壓轉換成200～1000Hz的頻率信號的典型電路及參數，要實(shí)現將4～20mA或0～5V轉換成200～1000Hz的頻率信號只要增加一些輔助電路即可實(shí)現，其他轉換也依此類(lèi)推。