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电压信号在长距离传输中易衰减，工业控制中常需将电压转换为电流信号传输。

电压电流转换器实现此功能，通过运算放大器调节输出电流，使其与输入电压成比例，形成稳定的4-20mA输出。

电流变送器设计原理涉及选择合适的反馈和输出电阻，确保在宽电压输入范围内（0-24V）输出精确的4-20mA电流，适用于长距离、抗干扰要求高的工业环境。

压控恒流电路

所描述的电路是一个结合了运算放大器（运放）和NPN型三极管的压控恒流源设计。

这个设计的核心在于利用运放的负反馈机制来控制三极管的基极电流，进而实现输出电流的恒定控制。

下面是对该电路工作原理的详细解析：

电路组成：运算放大器（运放）：作为电压比较和放大的核心元件。NPN型三极管：作为电流控制元件，其输出电流受基极电流控制。电阻网络（R6, R8, R11等）：用于分压、反馈和设置放大倍数。

VCC：为运放和三极管提供稳定的电源电压。

工作原理：输入电压Ui：通过电阻R6与采样电阻（假设为R_sense，虽然图中未明确标出，但根据描述可推断）分压后，与Ui共同作用于运放的同相输入端。这里的分压作用实际上是为了调整输入到运放同相端的电压，使其包含Ui和负载电流产生的电压降UB的信息。运放同相放大器：运放及其外围电阻（R8, R11）构成了一个同相放大器，其放大倍数为1 + (R11/R8) = 2。这意味着运放的输出电压UA是其同相输入端电压的两倍。三极管基极电流控制：运放的输出电压UA通过电阻R1施加到三极管的基极，控制基极电流。由于三极管工作在放大状态，其集电极电流（即输出电流）受基极电流控制，且两者之间存在固定的放大倍数（β）。

负反馈机制：当输出电流增大导致负载电压降UB增加时，运放同相输入端的电压会相应增加（因为UB被引入到该点），进而通过运放的放大作用使输出电压UA增加，进一步增加三极管的基极电流，从而试图减小输出电流以维持负载电压的稳定。这种负反馈机制确保了输出电流的恒定。

输出负载不能过大，以免负载电压降超过VCC，导致三极管无法提供足够的电流。

电路设计时需要考虑运放的供电电压、三极管的饱和电压以及电阻的精度和温度系数等因素，以确保电路的稳定性和准确性。

电压信号放大

为了根据输出电流范围4-20mA反推出输入电压Ui的对应范围0.4-2V，并在Ui前加一级放大电路，我们需要首先明确几个关键点：输出电流与输入电压的关系：假设存在一个转换关系，使得在特定的电路配置下，输入电压Ui能够控制输出电流在4-20mA范围内变化。但通常这种关系不是线性的，而是由电路中的元件（运算放大器、三极管、电阻等）共同决定的。然而，为了简化问题，我们可以假设存在一个线性的转换因子K，使得 Iout=K⋅(Ui−Uoffset)，其中 Iout 是输出电流，Ui 是输入电压，Uoffset 是可能的偏移电压（在这个假设中，我们可以暂时忽略它，或者认为它已经被电路的其他部分补偿了）。确定转换因子K：由于题目已经给出了输出电流范围4-20mA和对应的输入电压范围0.4-2V，我们可以计算出转换因子K。但在这个线性假设下，K实际上是斜率，可以通过两点式（即斜率公式）来计算：

但注意，这里的K单位并不常见，实际上我们更关心的是电压到电流的增益，即安培每伏特（A/V）的倒数，不过在这个特定问题中，我们可以直接使用这个K值来反推Ui。设计放大电路：为了在Ui前加一级放大电路，我们需要根据Ui的原始范围（假设它小于0.4-2V）和所需的输出范围（0.4-2V）来设计放大倍数。假设原始Ui的范围是 Ui,original（未给出具体值），我们需要的放大倍数为A，则：

,min=0.4V，我们可以将这两个值代入上式，并根据 Ui,original 的实际范围来计算A。如果 Ui,original 的范围未知或变化，我们可能需要一个可调增益放大器（使用电位器调整反馈电阻的运放电路）来实现所需的放大倍数。实现放大电路：一旦确定了放大倍数A，就可以使用运算放大器（Op-Amp）和适当的电阻网络来实现这个放大倍数。一个基本的同相放大器电路就可以满足需求，其中放大倍数A由反馈电阻Rf和输入电阻Rin的比值决定：

 

通过调整Rf和Rin的值，我们可以得到所需的放大倍数A。

调零功能：

设计思路非常清晰，通过使用TL431作为基准电压源，结合电位器RP2进行电压调节，并通过跟随器稳定输出电压，最后将这个电压输入到同相放大器U1A的同相输入端，以确保在输入电压Ui为0V时，U1A的输出能够控制后级电路产生4mA的初始电流。

下面是对设计方案的详细解析：

基准电压源：

TL431是一个精密的2.5V基准电压源，具有很低的温度漂移和高稳定性，非常适合用于需要精确电压参考的场合。

电压调节电路：电位器RP2用于从TL431提供的2.5V基准电压中分压出可调电压。通过旋转RP2，可以改变其分压比，从而调整输出电压。

跟随器（通常也是一个运放配置成电压跟随模式）用于隔离电位器RP2的输出电压，防止后级电路对RP2分压电路的影响，确保输出电压的稳定性和精度。

同相放大器U1A：U1A是一个同相放大器，其同相输入端接收来自跟随器的稳定电压。这个电压将作为U1A的参考电压，用于控制其输出电压，进而控制后级电路的电流输出。

U1A的放大倍数和反馈网络（包括R1, R8, R11等电阻）需要根据具体电路参数进行设计，以确保在输入电压Ui为0V时，输出电流为4mA。然而，在这个特定设计中，由于我们使用了可调电压源（通过RP2调节），因此U1A的放大倍数可能不需要非常精确，因为我们可以直接通过调节RP2来设置初始的4mA输出电流。

调节输出电流：在使用模块之前，通过调节电位器RP2，可以观察到后级电路的输出电流变化。当输出电流达到4mA时，记录下RP2的位置，并在后续使用中保持这个位置不变。需要注意的是，由于电路中存在各种元件的容差和温度漂移等因素，实际使用中可能需要进行微调以确保输出电流的精确性。

量程调节

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电压输入部分先通过运放构成的跟随器（输入阻抗高，输出阻抗小）输出，再经由电位器来作将输入电压衰减。经过调零操作后，可先将输入电压调节至最大值，再通过调节电位器RP1使输出电流达到20mA为止即可。

模块使用步骤

想要实现0-10V对应输出4-20mA电流功能，则第一步先调零操作，使输入电压先为0V，通过调节电位器RP2使输出电流达到4mA，再将输入电压调节至10V，通过调节电位器RP1，直至使输出电流达到20mA，即调节完毕，对于其他量程的调节和上述步骤一致。

注意：后级输出负载不能过大，当负载所产生的的压降大于三极管供电电源VCC时则说明负载过大，此时三极管是无法提供足够电流的。

总结:

电压电流转换器的设计原理及其在工业控制中的应用。通过结合运算放大器和NPN型三极管，利用负反馈机制实现了电压到电流的精确转换，并确保了输出电流的恒定性和稳定性。设计中考虑了电源电压波动、元件容差和温度漂移等因素，通过选择合适的电阻网络和采用高精度元件，提高了电路的抗干扰能力和测量精度。介绍了如何通过调节电位器来实现电路的调零和量程调节功能，以满足不同输入电压范围对应的输出电流要求。在实际应用中，需要注意后级输出负载的限制，以避免负载过大导致三极管无法提供足够电流的问题。