单电源I／F转换电路设计

摘要：介绍了单电源I／F转换电路的设计方法和功能。利用0PA2335AID、TS5A23166外加滞回电压比较器、CMOS开关等器件构成的单电源I／F转换电路，能将4～20 mA电流信号或1～5 V电压信号转换为10～50 kHz的方波信号。采用3～5 V单电源供电，输出线性度可达+0．1％FS。电路结构简单，稳定性较高，线性度好。
关键词：OPA2335AID；电压-频率转换；电流-频率转换；TS5A23166

随着数字仪表的广泛使用，将III型仪表的1～5 V／4～20 mA的标准信号转换成一种数字量信号，成为许多仪表需要解决的一个关键问题，而现在主要采用转换电路，多数是双电源供电，结构复杂、稳定性差。本电路设计采用单电源电压供电，结构简单、稳定性好，能提高电源使用效率。
I／F转换电路主要包括电压／频率转换电路(VFC)和电流～频率转换电路(IFC)两部分。电压／频率转换电路(VFC)的功能是将输入直流电压1～5 V经过电压跟随器，转换成0．5～2．5 V的输出电压。经过积分器，输出稳定的三角波，再将其输入电压比较器，最后输出稳定的矩形波，使输出频率为10～50 kHz。电流／频率转换电路的功能是将输入直流电流4～20 mA经过增益放大，输出0．5～2．5 V的恒定电压，最后完成频率转换，输出稳定的矩形波。此电路具有I／F、V／F电路转换成频率的功能。仅采用3～5 V的单电源供电，电路结构精简、输出线性度高、功能完善。

1 电路方案设计
单电源I／F转换电路最主要的部分是由运算放大器、积分器、比较器、CMOS开关电路组成。其设计的合理与否，直接关系到电路输出波形的成功问题。所设计的电路原理框图如图1所示。

(1)运算放大电路。
运算放大器选用LM358，起放大输入信号的作用，也可以构成绝对值电压跟随器，调节输入电压。虽能实现本电路的功能，但是，LM358芯片放大速率较慢，信号供电电压范围小，仅为4～5 V，不够稳定，且特性温度范围小，为0～70℃，容易受温度影响。运算放大器选用OPA2335，采用单电源供电，工作电压为+2．7+5．5 V，有MSOP-8和SO-8两种封装形式，内部包含两个运算放大器。放大速率高，比较稳定，且特性温度范围大，为-40～125℃，不易受温度的影响。因此，选用OPA2335。
(2)CMOS开关电路。
CMOs开关选用芯片CD4016，但芯片CD4016内阻较大，最大可达到100 Ω，且不够稳定，会随着供电电压的改变而改变。CMOS开关选用芯片TS5A23166，输入高电平，开关导通；输入低电平，开关断开。TS5A23166芯片内阻极小，只有0．5 Ω，较稳定，不会随电压的改变而改变。所以选用TS5A23166芯片。