设计并仿真- 3.3V与5V电压变换和PWM转电压和电压到电流的变换

1. 本文目的

最近学习了LCEDA,发现了其中的仿真功能。正好手上有小项目需要进行模拟电路的几个工作进行一下测试。
本文分为3个项目:

  • 3.3V到5V电压双向变换
  • PWM转电压
  • 电压到电流的变换

首先讲解原理,再绘制电路,最后给出仿真结果 。

2. 3.3V与5V电压变换

2.1 原理

当你使用3.3V的单片机的时候,电平转换就在所难免了,经常会遇到3.3转5V或者5V转3.3V的情况,这里介绍一个简单的电路,转载自一种简单实用的双向电平转换电路(非常实用!)3.3V–5V 可以实现两个电平的相互转换(注意是相互双向的,不是单向的!).电路十分简单,仅由3个电阻加一个MOS管构成,电路图如下,VCC_2 < VCC_1:
2-1

2.2 仿真

在LCEDA中对电路 进行仿真,信号加在3v3, 输出产生5V方波,仿真图如图2-2,仿真结果如图2-3:
2-2
2-3

信号加在5V 输出产生3V3方波,仿真图如图2-4,仿真结果如图2-5:

2-5

3. PWM转电压

3.1 原理

现在的常用的MCU是没有DA输出的,通常使用一个IO 产生PWM波,代替模拟 输出,只要设计个简单的滤波电路,就可以将PWM信号转化为模拟量信号。网上的资料也很多,这里选用一个二阶压控有源低通滤波器。如图3-1所示。
3-1

低通滤波频率公式为:f=1/(2π*RC).
滤波电路后端是一个运算放大器,放大倍数公式:A=1+Rf/R1。选择A=1.1。又因为R1//Rf=2R(R1,Rf两者并联的值等于R串联值),最终:Rf=220欧,R1=2.2k,R=1k。

低通滤波电路前面是一个二阶积分电路(将两个电容都接地),R=1K,C=10uf。将两个一阶积分电路串联构成二阶积分电路 。

3.2 仿真

在LCEDA中对电路 进行仿真,信号加在输入端用一个小时钟 1k 代替信号源,因为信号源无法设置偏置,会产生负电压。这里小时钟输出产生5V方波,仿真图如图3-2,仿真结果如图3-3:
3-2

PWM频率1kHz,即周期1ms。 RC时间常数1千欧乘以10uF等于10ms。RC时间常数是PWM周期的10倍。如果允许 ,这里RC时间常数应该 >> PWM周期。
3-3

仿真结果看出在1K的输入频率下,在100ms 能达到比较稳定的模拟电压输出,此时是2.5V.

4. 电压到电流的变换

4.1 第一个比较常见的经典并仿真成功的电路

转载自 电压转电流电路
将电压控制信号转换为电流信号。从网上搜寻到,据说此电路是一论坛笔者师兄设计的,曾在多个项目中使用,稳定可靠。书生曾用 Saber 对此电路进行动态仿真,转换曲线十分平滑,线性度非常好。电路元件少,易采购,线路简洁,具有较高的使用价值。

电路原型如4-1示。

4-1
对该图用进行修改,添加的输出的三极管。用LCEDA软件的仿真进行绘图并仿真。
4-2

图中 Vin 为电压输入端,节点 b 为电流输出端,RL是模拟负载。

量程更换为 0-10V,只要将R12更换为500,如图示.
4-3

电路分析: 下面的LM358N 为电压跟随器,Vb = V7
.
虚断:

  • 由下面一条反馈支路得到 : Vb - V3 = V3 - Vin ,从而 Vb= 2*V3 - Vin —(1)

  • 由上面的反馈支路得到 :Va - V2 = V2 , 从而 Va = 2*V2 —(2)

虚短:

  • V2 = V3, 所以 Va= 2*V3 —(3)

b点的节点电流方程:

  • I=Vb/RL = (Va-Vb)/R12+(V3-Vb)/R11

将(1) (2) 代入 (3) 得到:

  • I=Vin/R12+(Vin-V3)/R11

因为 R11>>R12, 忽略后一项,得到 I=Vin/R12.

4.2 第二个信工的电压转电流方案

来自于一个很老的工程师信老的方案。2006年就出现了。

电路图如图4-4
4-4

实际应用时,可以在0~5V输入端并一只10K电阻,可以解决输出不可调整的问题.

电路仿真如图4-5所示。

4-5

零点调整电位器上端至电源间的100K电阻换51K即.
运放增益A=-(Vo/Vi=RF/Ri=1/5=30K/150K=0.2)
运放的 输入端:-V=+V=20V
vi=5 vo=1 Ec=24
-V=[(Ec-Vi-Vo)/(RF+Ri)]xRi+Vi=(18/180K)x150K+5=20V
所以+V的分压电位器调节到 +V = 20V
图中运放UA741和150kΩ电阻30kΩ电阻组成反相放大电路,增益为-0.2倍。

0~5V的输入电压经过反相放大器后在运放输出变化幅度1V的输出,

  • 由于虚短和虚断 列方程如下 :
 (20-Vin) / R14 = (Va - 20)/R17   (1)
 (24-Va) / R19 = (Va - 20)/R17 + IL (2) 
 代入部分参数得:
(20-Vin) / 150 = (Va - 20)/30  
 (24-Va) / R19 = (Va - 20)/30 + IL

按照网络上的数据
当输入0 , 输出 Va = 23.75 不太可能 实际仿真结果是 23.973V
当输入5 , 输出 Va = 22.75 不太可能 实际仿真结果是 23.427V

结论 : 这个电路 仿真不成功。也许实物可运行,这里不再测试了。

4.3 经典的恒流源方案

转载自 电压电流转换电路

输出4~20mA电流的时候。最简单简陋的电流输出电路,是用“三级管+放大器”构成的。这篇文章说的插详细了,就不再分析,只是做了最后的仿真。
未修改前的简化电路 及其仿真结果如图示。

4-6

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电路分析:

由于虚短和虚断,运放 V- V+ 相等,且等于R22 处电压
即三极管射极电压 Ue
Io=Ue/R22
所以放大转换的公式为 Io/Uin = 1/R22 = 0.1 A/V 
即输入变化1V 输出变化 0.1A .

修改后的电路 及其仿真结果如图示。

4-8
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这里的电路,就不再分析了。

原文链接:https://blog.csdn.net/sundm75/article/details/106843356

最后修改日期:2020年6月19日