CN108365759A - 一种电流/电压转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流/电压转换电路，用于提高电流/电压转换的精确度。该转换电路包括：输入端，用于接收外部输入的被转换的电流信号；输出端，用于提供输出电压；连接在输入端和输出端之间的电流/电压转换电路，电流/电压转换电路包括：1对2路模拟开关、变压器和转换子电路，1对2路模拟开关连接在输入端与变压器的初级之间，变压器的次级连接到转换子电路的输入端，转换子电路的输出端连接输出端；通过1对2路模拟开关的切换使变压器次级输出的电流大小相等但方向相反，从而可以实现直流电流信号转变为交流电流信号，用变压器实现电路隔离，再经过转换子电路V实现将交流电流信号转化成直流电压信号。

Description

一种电流/电压转换电路
技术领域
本发明涉及电子电路信号转换技术领域，尤其涉及一种电流/电压转换电路。
背景技术
在现代工业生产过程中，常常需要对各类非电物理量，例如温度、流量、压力、湿度等进行测量。为了避免远距离传输过程出现信号衰减和干扰等问题，通常的做法是将这些非电物理量转换成电流信号进行远距离传输，比如将温度信号转换成0～10mA DC的电流信号，再在总控中心再将0～10mA DC的电流信号转化成0～5V DC的电压信号等，以进一步实现对非电物理量的测量，完成这个转换的即是电流到电压(电流/电压)转换电路。
目前的电流/电压转换电路主要是由运算放大器和取样电阻组成的非隔离转换电路。这种电路对电流的采集和转换元器件要求较高，由于采用的是非隔离转换原理电路，加上运算放大器以及其它元件的非理想性，随着信号电流的变化,运放的反相端的电压会跟踪不上零点调整电压的变化,造成非线性加大，导致在进行电流/电压转换时在电路的环路特性中引入极点，从而增加***的相移，引起电流/电压转换电路的不稳定,在宽频带噪声的干扰下产生振荡,降低了电流/电压转换的精确度。
可见，目前的电流/电压转换电路主要是非隔离转换电路，使得电流/电压转换的精确度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明的一种电流/电压转换电路，用于提高电流/电压转换的精确度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电流/电压转换电路，该转换电路包括：
输入端，用于接收外部输入的被转换的电流信号；
输出端，用于提供输出电压；
连接在所述输入端和所述输出端之间的电流/电压转换电路，所述电流/电压转换电路包括：1对2路模拟开关、变压器和转换子电路，所述1对2路模拟开关连接于所述输入端与所述变压器的初级之间，所述变压器的次级连接到所述转换子电路，所述转换子电路连接所述输出端；
其中，所述1对2路模拟开关包括一个输入端、两个输出端和一个控制端，所述两个输出端中的第一输出端连接所述变压器的初级的第一点，所述两个输出端中的第二输出端连接所述变压器的初级的第二点。
可选的，所述输入端具有第一端子和第二端子，所述输入端的第一端子与所述变压器的初级中间点连接，所述第二端子与所述1对2路模拟开关的输入端连接；
所述1对2路模拟开关的控制端连接外部输入的方波控制信号，在所述第一输出端和所述第二输出端之间切换，以为所述转换子电路提供大小相等方向相反的电流；其中，所述方波控制信号的占空比为1/2。
可选的，所述转换子电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一二级管、第二二级管及第一电阻和第二电阻；
其中，所述第一运算放大器的同相输入端与所述变压器的次级的第一点和第一电阻的一端连接，所述第一放大器的反向输入端与所述转换子电路的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述转换子电路的输出端连接；
所述第二运算放大器的同相输入端与所述变压器的次级的第二点和第二电阻的一端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与所述转换子电路的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述转换子电路的输出端连接；
所述第一电阻的另一端和所述第二电阻的另一端相连，并连接到所述输出端的共同地。
可选的，所述第一电阻的电阻值和所述第二电阻的电阻值相同。
可选的，所述转换电路，还包括：电压调节电路，所述电压调节电路的输入端连接所述转换子电路的输出端，所述电压调节电路的输出端连接所述输出端；
其中，所述电压调节电路包括可变电阻器和固定电阻，调节所述可变电阻器，以调节所述输出端输出的电压值。
可选的，所述可变电阻器和固定电阻要求的精度与所述转换电路要求的精度高一个量级。
可选的，所述的转换电路还包括第一滤波器，所述第一滤波器连接在所述被转换电流信号与所述开关及所述变压器的初级之间，用于对所述被转换电流信号进行滤波。
可选的，所述转换电路，还包括第二滤波器，所述第二滤波器连接在所述转换子电路的输出端与所述电压调节电路输入端之间，用于对所述转换子电路输出的电压进行滤波。
可选的，所述被转换电流信号为直流信号，电流值范围为0～10mA，所述输出端输出的电压为直流电压，电压值的范围为0～5V。
本发明实施例提供的电流/电压转换电路采用了变压器作为隔离元件，使得转换电路是隔离转换电路。相较于现有技术中的非隔离转换电路对电流的采集和转换元器件要求较高，本发明实施例提供的转换电路对电流的采集和转换元器件要求较低，降低了运算放大器以及其它元件的非理想性对整个转换电路的影响，从而增强了抗干扰性,提高了电流/电压转换的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电流/电压转换电路的一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电流/电压转换电路的一种结构示意图；
图3是本发明实施例提供的电流/电压转换电路的一种结构示意图；
图4是本发明实施例提供的电流/电压转换电路的一种结构示意图；
图5是本发明实施例提供的电流/电压转换电路工作原理的一种结构示意图；
图6是本发明实施例提供的电流/电压转换电路工作原理的一种结构示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
为了便于理解，首先介绍现有技术的电流/电压转换电路。
目前的电流/电压转换电路主要是由运算放大器和取样电阻组成的非隔离转换电路。这种电路对电流的采集和转换元器件要求较高，由于采用的是非隔离转换原理电路，随着信号电流的变化，运算放大器的反相端的电压会跟踪不上零点调整电压的变化，也就是零点电压也在随着运算放大器输出的变化而变化，这样就会增大非线性，造成线性性能较差。电流/电压转换的精确度较低。
鉴于此，本发明实施例提供一种电流/电压转换电路，该转换电路中采用了变压器作为隔离元件，使得转换电路是隔离转换电路。相较于现有技术中的非隔离转换电路对电流的采集和转换元器件要求较高，本发明实施例提供的转换电路对电流的采集和转换元器件要求较低，降低了运算放大器以及其它元件的非理想性对整个转换电路的影响，从而增强了抗干扰性,提高了电流/电压转换的精确度。
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。本发明实施例中的说明书附图中的符号“*”是变压器初次级绕组线圈的同名端(即变压器U的初级绕组线圈的a点与变压器U的次级绕组线圈的e点是同名端，变压器U的初级绕组线圈的b点与变压器U次级绕组线圈的e点是同名端)，变压器初级绕组一半线圈与变压器次级绕阻线圈的匝比为K。
请参见图1，图1示出了本发明实施例提供的电流/电压转换电路的一种结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的电流/电压转换电路包括：输入端(由第一端子1和第二端子2构成)，和输出端(由第三端子3和第四端子4构成)，及设置在输入端(由第一端子1和第二端子2构成)和输出端(由第三端子3和第四端子4构成)之间的电流/电压转换电路。其中，输入端(由第一端子1和第二端子2构成)接收外部输入的被转换的电流信号Iin，被转换的电流信号Iin是直流电流信号。电流/电压转换电路用于将被转换的电流信号Iin转化成直流电压信号VOUT，经由输出端(由第三端子3和第四端子4构成)输出，以进一步实现对非电物理量的测量。
可能的实施方式中，电流/电压转换电路可以包括1对2路模拟开关G、变压器U和转换子电路V。其中，1对2路模拟开关G连接在输入端(由第一端子1和第二端子2构成)与变压器U的初级之间，变压器U的次级连接到转换子电路V的输入端，转换子电路V的输出端连接输出端(由第三端子3和第四端子4构成)。本发明实施例中的1对2路模拟开关G包括一个输入端Y、两个输出端A0，A1和一个控制端N。1对2路模拟开关G的输入端Y与输入端的第二端子2连接，用于接收被转换的电流信号Iin，输入端的第一端子1与变压器的初级中间点b点相连，1对2路模拟开关G的两个输出端中的第一输出端A0连接变压器U的初级的第一点，如图1中的a点，两个输出端中的第二输出端A1连接变压器U的初级的第二点，如图1中的c点。
由于1对2路模拟开关G包括一个输入端Y和两个输出端，即第一输出端A0和第二输出端A1，而这两个输出端分别与变压器U初级上不同的点连接，这就涉及到1对2路模拟开关G切换的控制问题，即输入端Y与哪个输出端连接。本发明实施例中，1对2路模拟开关G的控制端N连接外部输入的方波控制信号，方波控制信号的占空比为1/2，从而使得1对2路模拟开关G在方波控制信号的控制下，在第一输出端A0和第二输出端A1之间切换。当1对2路模拟开关G的输入端Y与第一输出端A0导通，则1对2路模拟开关G的输入端Y与变压器U的初级绕组线圈的a点相连，而当1对2路模拟开关G的输入端Y与第一输出端A1导通，则1对2路模拟开关G的输入端Y与变压器U的初级绕组线圈的c点相连，这样当1对2路模拟开关G与变压器U的初级的不同点导通，由于变压器U的初级绕组线圈的a点与变压器U的次级绕组线圈的e点是同名端，变压器U的初级绕组线圈的b点与变压器U次级绕组线圈的e点是同名端，因此变压器U次级输出的电流大小相等但方向相反，从而可以实现直流电流信号转变为交流信号，用变压器U实现电路隔离。
被转换的电流信号在传输过程中可能会被高频干扰影响，为消除被转换的电流信号在传输过程中可能的高频干扰，请参见图2，本发明实施例提供的电流/电压转换电路还包括第一滤波器，该第一滤波器连接在被转换电流信号与1对2路模拟开关G及变压器U的初级之间，用于对被转换电流信号进行滤波。可能的实施方式中，第一滤波器可以包括电阻R1和电容C1，其中，电阻R1的一端连接输入端的第一端子1，电阻R1的另一端连接电容C1的第一端和变压器U初级的中间点b点，电容C1的第二端连接输入端的第二端子2,，和1对2路模拟开关G的输入端Y。被转换的电流信号经过第一滤波器滤波后，经过1对2路模拟开关G切换到变压器U不同的点，使变压器U次级输出的电流大小相等但方向相反，从而可以实现直流电流信号转变为交流电流信号，用变压器实现电路隔离，再经过转换子电路V实现将交流电流信号转化成直流电压信号。
请参见图3，本发明实施例提供的转换子电路V可以包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和第一二级管D1、第二二级管D2及第一电阻R2和第二电阻R3。其中，第一运算放大器A1的同相输入端与变压器U的次级绕组线圈的第一点，如图3中的e点和第一电阻R2的一端连接，第一运算放大器A1的反向输入端与转换子电路V的输出端VO及第一二极管D1的阴极连接，第一运算放大器A1的输出端与第一二极管D1的阳极连接。第二运算放大器A2的同相输入端与变压器U的次级绕组线圈的第二点，如图3中的f点和第二电阻R3的一端连接，第二运算放大器A2的反向输入端与转换子电路V的输出端VO及第二二极管D2的阴极连接，第二运算放大器A2的输出端与第二二极管D2的正极连接。第一电阻R2的另一端和第二电阻R3的另一端相连，并连接到输出端的共同地。其中，第一电阻R2的电阻值和第二电阻R3的电阻值相同。
变压器U的次级输出的电流输入转换子电路V，经过转换子电路V将交流电流信号转换成直流电压信号输出。为了得到需要的电压值，请参见图4，本发明实施例提供的电流/电压转换电路V还可以包括电压调节电路，该电压调节电路的输入端连接转换子电路V的输出端，电压调节电路的输出端连接输出端(由第三端子3和第四端子4构成)，用于调节转换子电路V输出的电压值。可能的实施方式中，电压调节电路包括可变电阻器RW和固定电阻R4，调节可变电阻器RW，就可以实现调节输出端(由第三端子3和第四端子4构成)输出的电压值。在被转换的电流信号为直流信号，且电流值范围为0～10mA时，调节可变电阻器RW使得输出端(由第三端子3和第四端子4构成)输出的对应直流电压的电压范围为0～5V。另外，本发明实施例中，固定电阻R2、R3电阻值必须相等，可变电阻器RW、固定电阻R2及R3的选取可以按照转换电路要求的转换精度来确定，固定电阻R2、R3的精度要比转换电路要求的转换精度高一个量级。例如，转换电路要求的转换精度为1％，那么可变电阻器RW、固定电阻R2及R3的要求的精度是0.1％。
为了得到更平滑的电压值，本发明实施例提供的电流/电压转换电路还可以包括第二滤波器，第二滤波器可以包括电容C2，电容C2并连在转换子电路V的输出端与电压调节电路输入端之间，用于对转换子电路V输出的电压进行滤波。
为了便于理解，下面继续结合附图介绍本发明实施例提供的电流电压转换电路的工作原理。
如图3所示，被转换的电流信号Iin是被转换的0～10mA直流电流信号，输出端输出的是0～5V直流电压信号。1对2路模拟开关G的控制端N可以接一高电平是5V，低电平是0V，占空比为1/2的方波信号，方波信号的工作频率可以根据转换精度的要求进行选择，一般工作频率高转换精度就高，当1对2路模拟开关G的控制端N接一高电平时，Y－A0导通，当开关的输入端接一低电平时，Y－A1导通。变压器初级绕组线圈的一半与变压器次级绕组线圈的匝比为K，“*”是变压器初次级绕组线圈的同名端。
当1对2路模拟开关G的控制端N所接的方波是高电平时，Y－A0导通，被转换的电流信号IIN经电阻R1，变压器U初级绕组线圈的中间点，即b点，变压器U初级绕组线圈的第一点，即a点，流过1对2路模拟开关的Y－A0，其变压器U的次级电流方向根据变压器U所标的初次级同名端，次级电流I0流过第一电阻R2和第二电阻R3，变压器U次级绕组线圈第二点，即f点到第一点，即e点，具体的初次级电流方向见图5所示。可见，I0＝KIIN，则V1＝I0R2＝KIINR2，V2＝－I0R3＝－KIINR3。
由于V2<0，第二二极管D2截止，第二运算放大器A2被断开，没有输出。而V1≥0，第一二极管D1导通，此时第一运算放大器A1与第一二极管D1构成跟随器，其放大倍数是1，因此，输出电压为VO＝V1＝I0R2＝KIINR2。
当1对2路模拟开关G的控制端N所接的方波是低电平时，Y－A1导通，待转换的电流信号IIN经电阻R1，变压器U初级绕组线圈的中间点，即b点，变压器U初级绕组线圈的第二点，即c点，流过1对2路模拟开关G的Y－A1，其变压器U的次级电流方向根据变压器U所标的初次级同名端，次级电流I0流过第二电阻R3和第一电阻R2，变压器U次级绕组线圈第一点，即e点到第二点，即f点，具体的初次级电流方向见图6所示，I0＝KIIN，则V1＝－I0R2＝－KIINR2，V2＝I0R3＝KIINR3。
由于V1<0，第一二极管D1截止，第一运算放大器A1被断开，没有输出，而V2≥0，第二二极管D2导通，此时第二运算放大器A2与第二二极管D2构成跟随器，其放大倍数是1，VO＝V2＝I0R3＝KIINR3。
由于R2和R3的电阻值相同，可以令R2＝R3＝R，所以VO＝V1＝V2＝I0R＝KIINR，调整可变电阻器RW使得IIN是10mA时，Vout是5V，从而实现0～10mA直流的IIN电流信号转换成0～5V直流Vout电压输出信号。
鉴于此，本发明实施例提供一种电流/电压转换电路，该转换电路中采用了变压器作为隔离元件，使得转换电路是隔离转换电路。相较于现有技术中的非隔离转换电路对电流的采集和转换元器件要求较高，本发明实施例提供的转换电路对电流的采集和转换元器件要求较低，降低了运算放大器以及其它元件的非理想性对整个转换电路的影响，从而增强了抗干扰性，提高了电流/电压转换的精确度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种电流/电压转换电路，其特征在于，包括：
输入端，用于接收外部输入的被转换的电流信号；
输出端，用于提供输出电压；
连接在所述输入端和所述输出端之间的电流/电压转换电路，所述电流/电压转换电路包括：1对2路模拟开关、变压器和转换子电路，所述1对2路模拟开关连接于所述输入端与所述变压器的初级之间，所述变压器的次级连接到所述转换子电路，所述转换子电路连接所述输出端；
其中，所述1对2路模拟开关包括一个输入端、两个输出端和一个控制端，所述两个输出端中的第一输出端连接所述变压器的初级的第一点，所述两个输出端中的第二输出端连接所述变压器的初级的第二点。
2.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于，所述输入端具有第一端子和第二端子，所述输入端的第一端子与所述变压器的初级中间点连接，所述第二端子与所述1对2路模拟开关的输入端连接；
所述1对2路模拟开关的控制端连接外部输入的方波控制信号，在所述第一输出端和所述第二输出端之间切换，以为所述转换子电路提供大小相等方向相反的电流；其中，所述方波控制信号的占空比为1/2。
3.如权利要求1所述的转换电路，其特征在于，所述转换子电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一二级管、第二二级管及第一电阻和第二电阻；
其中，所述第一运算放大器的同相输入端与所述变压器的次级的第一点和第一电阻的一端连接，所述第一放大器的反向输入端与所述转换子电路的输出端连接，所述第一运算放大器的输出端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述转换子电路的输出端连接；
所述第二运算放大器的同相输入端与所述变压器的次级的第二点和第二电阻的一端连接，所述第二运算放大器的反向输入端与所述转换子电路的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述转换子电路的输出端连接；
所述第一电阻的另一端和所述第二电阻的另一端相连，并连接到所述输出端的共同地。
4.如权利要求3所述的转换电路，其特征在于，所述第一电阻的电阻值和所述第二电阻的电阻值相同。
5.如权利要求1-4任一所述的转换电路，其特征在于，还包括：电压调节电路，所述电压调节电路的输入端连接所述转换子电路的输出端，所述电压调节电路的输出端连接所述输出端；
其中，所述电压调节电路包括可变电阻器和固定电阻，调节所述可变电阻器，以调节所述输出端输出的电压值。
6.如权利要求5所述的转换电路，其特征在于，所述可变电阻器和固定电阻要求的精度与所述转换电路要求的精度高一个量级。
7.如权利要求6所述的转换电路，其特征在于，还包括第一滤波器，所述第一滤波器连接在所述被转换电流信号与所述开关及所述变压器的初级之间，用于对所述被转换电流信号进行滤波。
8.如权利要求7所述的转换电路，其特征在于，还包括第二滤波器，所述第二滤波器连接在所述转换子电路的输出端与所述电压调节电路输入端之间，用于对所述转换子电路输出的电压进行滤波。
9.如权利要求7-8任一所述的转换电路，其特征在于，所述被转换电流信号为直流信号，电流值范围为0～10mA，所述输出端输出的电压为直流电压，电压值的范围为0～5V。
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