單電源I／F轉換電路設計

摘要：介紹了單電源I／F轉換電路的設計方法和功能。利用0PA2335AID、TS5A23166外加滯回電壓比較器、CMOS開關等器件構成的單電源I／F轉換電路，能將4～20 mA電流信號或1～5 V電壓信號轉換為10～50 kHz的方波信號。采用3～5 V單電源供電，輸出線性度可達+0．1％FS。電路結構簡單，穩定性較高，線性度好。
關鍵詞：OPA2335AID；電壓-頻率轉換；電流-頻率轉換；TS5A23166

隨著數字儀表的廣泛使用，將III型儀表的1～5 V／4～20 mA的標準信號轉換成一種數字量信號，成為許多儀表需要解決的一個關鍵問題，而現在主要采用轉換電路，多數是雙電源供電，結構復雜、穩定性差。本電路設計采用單電源電壓供電，結構簡單、穩定性好，能提高電源使用效率。
I／F轉換電路主要包括電壓／頻率轉換電路(VFC)和電流～頻率轉換電路(IFC)兩部分。電壓／頻率轉換電路(VFC)的功能是將輸入直流電壓1～5 V經過電壓跟隨器，轉換成0．5～2．5 V的輸出電壓。經過積分器，輸出穩定的三角波，再將其輸入電壓比較器，最后輸出穩定的矩形波，使輸出頻率為10～50 kHz。電流／頻率轉換電路的功能是將輸入直流電流4～20 mA經過增益放大，輸出0．5～2．5 V的恒定電壓，最后完成頻率轉換，輸出穩定的矩形波。此電路具有I／F、V／F電路轉換成頻率的功能。僅采用3～5 V的單電源供電，電路結構精簡、輸出線性度高、功能完善。

1 電路方案設計
單電源I／F轉換電路最主要的部分是由運算放大器、積分器、比較器、CMOS開關電路組成。其設計的合理與否，直接關系到電路輸出波形的成功問題。所設計的電路原理框圖如圖1所示。

(1)運算放大電路。
運算放大器選用LM358，起放大輸入信號的作用，也可以構成絕對值電壓跟隨器，調節輸入電壓。雖能實現本電路的功能，但是，LM358芯片放大速率較慢，信號供電電壓范圍小，僅為4～5 V，不夠穩定，且特性溫度范圍小，為0～70℃，容易受溫度影響。運算放大器選用OPA2335，采用單電源供電，工作電壓為+2．7+5．5 V，有MSOP-8和SO-8兩種封裝形式，內部包含兩個運算放大器。放大速率高，比較穩定，且特性溫度范圍大，為-40～125℃，不易受溫度的影響。因此，選用OPA2335。
(2)CMOS開關電路。
CMOs開關選用芯片CD4016，但芯片CD4016內阻較大，最大可達到100 Ω，且不夠穩定，會隨著供電電壓的改變而改變。CMOS開關選用芯片TS5A23166，輸入高電平，開關導通；輸入低電平，開關斷開。TS5A23166芯片內阻極小，只有0．5 Ω，較穩定，不會隨電壓的改變而改變。所以選用TS5A23166芯片。