在工業(yè)控制等傳感器的應(yīng)用電路中，輸出模擬信號(hào)一般以電壓形式存在。在以電壓方式長(zhǎng)距離傳輸模擬信號(hào)時(shí)，信號(hào)源電阻或傳輸線路的直流電阻等會(huì)引起電壓衰減。為了避免信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減，可增大信號(hào)接收端的輸入電阻，但信號(hào)接收端輸入電阻的增大，使傳輸線路易受外界電磁干擾，因此在長(zhǎng)距離傳輸模擬信號(hào)時(shí)，不能以電壓輸出方式，而需把電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。

電壓電流轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的電路，是由電壓控制的電流源。是將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電流相當(dāng)一個(gè)輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。

下面我們解析一款0-2.5V3.3V5V10V15V24轉(zhuǎn)4-20mA電流變送器的電路設(shè)計(jì)原理。

①壓控恒流電路

這是由運(yùn)放與三極管組成的壓控恒流源，其原理是通過(guò)負(fù)反饋控制運(yùn)放輸出電壓控制NPN型三極管基極到發(fā)射極的電流大小，進(jìn)而控制三極管輸出電流的大小，三極管工作與放大狀態(tài)，運(yùn)放及外圍電阻組成了同相放大器，放大倍數(shù)為1+（R11/R8）=2，VCC作為三極管及運(yùn)放的供電電源。

電路中的運(yùn)放同相輸入端的電壓并非由外部輸入的Ui單獨(dú)控制，而是又通過(guò)了電阻R6將UB電壓引入，即采樣電阻R6低壓則的電壓，根據(jù)電阻分壓，運(yùn)放的同相輸入端即10端電壓為（Ui-UB）/2 +UB，則UA=2*（（Ui-UB）/2 +UB））=Ui+UB，那么R1兩端的電壓差為UA-UB=Ui，即通過(guò)R1的電流為Ui/R1，由此控制Ui的大小，即可控制輸出電流的大小。

需要注意的是后級(jí)輸出負(fù)載不能過(guò)大，當(dāng)負(fù)載所產(chǎn)生的的壓降大于三極管供電電源VCC時(shí)則說(shuō)明負(fù)載過(guò)大，此時(shí)三極管是無(wú)法提供足夠電流的。

②電壓信號(hào)放大

根據(jù)輸出電流范圍4-20mA，反推出Ui的對(duì)應(yīng)范圍為0.4-2V，則在Ui前加一級(jí)放大電路如下圖：

③調(diào)零功能：

由于模塊電路對(duì)應(yīng)輸出的電流范圍是4-20mA，那么必須保證在輸入電壓為0v時(shí)Ui為0.4V，即需要在同相放大器U1A同相輸入端加調(diào)壓電路，調(diào)壓電路電壓必須精準(zhǔn)穩(wěn)定，不受電源電壓波動(dòng)的影響，故由TL431組成以2.5V為基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)由電位器RP2分壓出可調(diào)電壓經(jīng)過(guò)跟隨器輸出經(jīng)由R5輸入到U1A同相輸入端。

如此則可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP2即可調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)輸出電流大小，則在使用模塊前，通過(guò)調(diào)節(jié)RP2將輸出電流調(diào)節(jié)為4mA即可。

④量程調(diào)節(jié)

電壓輸入部分先通過(guò)運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器（輸入阻抗高，輸出阻抗?。┹敵?，再經(jīng)由電位器來(lái)作將輸入電壓衰減。經(jīng)過(guò)調(diào)零操作后，可先將輸入電壓調(diào)節(jié)至最大值，再通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1使輸出電流達(dá)到20mA為止即可。

⑤模塊使用步驟

例如想要實(shí)現(xiàn)0-10V對(duì)應(yīng)輸出4-20mA電流功能，則第一步先調(diào)零操作，使輸入電壓先為0V，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP2使輸出電流達(dá)到4mA，再將輸入電壓調(diào)節(jié)至10V，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP1，直至使輸出電流達(dá)到20mA，即調(diào)節(jié)完畢，對(duì)于其他量程的調(diào)節(jié)和上述步驟一致。

注意：后級(jí)輸出負(fù)載不能過(guò)大，當(dāng)負(fù)載所產(chǎn)生的的壓降大于三極管供電電源VCC時(shí)則說(shuō)明負(fù)載過(guò)大，此時(shí)三極管是無(wú)法提供足夠電流的。

⑥模塊整體原理圖