内容包括Howland模拟电流源及其定性分析、定量计算，峰值检波电路、正弦波信号频率测量电路、工业4～20mA转0～3.3V/5V/10V/15V转换变送器电路等。紫色文字是超链接，点击自动跳转到相关博客。不断更新，原创不容易！
目录：
1）Howland计算和模拟电流源 2)定性、定量分析 3）Howland电流源公式
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1）Howland计算和模拟电流源
最近做了关于Howland电流源电路实验发现，书中的公式推导与实际生产有很大的不同。附图如下，书中说负载R5上的电流应满足输入电压Ui与R4的比值，但我发现输出的电流不符合这个公式。
100K电阻流过0.5mA电流，压降50V，电源需要50V以上OP07承受不了这么高的电压。
电路不仅要注意数学关系，还要看实际情况是否允许。将四个电阻改为10K就行了。注意R5中电流方向为负。
设：输入V1，输出V0，R5电流为i，求i与V1的关系式。
解决方案:理想运放有虚短和虚断，计算如下:根据虚短U =U-，虚断i =∞，
可列：(V1-i*R5)/R1 (V0-i*R5)/R2=0代入相关值V0=-10V1 11*i*R5；
i-=∞，可列：i*R5/R4 i (i*R5-V0)/R3=0代入上述相关值i=-10V1/R3；而R3=R4/10，故i=-V1/R4.模拟结果如下所示。
计算：i=-V1/R4＝-0.5V/10K=0.05*10^-3A，VL=0.05*10^-3A*300R=-15.00mV
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2)定性、定量分析
由操作放大器组成的压控电流源如下图所示，电路输出负载的一端直接接地，因此也称为Howland电流泵。通过反馈网络形成闭环控制系统，使其输出电流稳定性好，精度高，输出阻抗低，运输精度低OP27。
定性分析：
上图中有两个电阻反馈网络。当输入电压保持不变时，假设输出电流因负载电阻降低而增加，节点c、d当电压升高时，它R2、R4的电流ID、IE增大，因R如果2保持不变，节点a的电压就会升高。根据运输短的概念，节点b的电压也会升高在相同输入电压的情况下，此进流过电阻R1的电流减小，再根据运放“虚断”概念，则流过R3的电流也要减小，而输出电流为流过R3与R5的电流之和，故此时输出电流减小，通过闭环反馈从而抑制了输出电流的增加，以达到恒流的作用，其恒流过程如下：
定量分析：
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3）Howland电流源公式
差分电压/电流转换电路, howland电流源。满足R1/R2=R3/R4时,有: 负载RL上的电流I=(V2-V1)/R3。
根据虚短，运放两个输入端电压一样；根据虚断，运放两个输入端无电流流入。
列出两个电流方程：
(V1-Vx)/R1=(Vx-Vo)/R2
(V2-Vx)/R3 + (Vo-Vx)/R4 = Vx/Rl
Vx/Rl就等于输出电流I，联立解方程就得到结果了。
根据运放的特点：虚短、虚断，假设反相输入端电压为Vx,则同相输入端亦为Vx，则列等式：
等式一：(Vin - Vx)/R1 = (Vx - Vo)/R4;
等式二：Vx/R2 + Vx/Rl = (Vo - Vx)/R3;
联立解方程得：Il = Vx/Rl = (Vx(R4R2 - R1R3) - VinR2R4)/R1R2R3
为了使负载电流与Vx无关，则R4R2 = R1R3，所以：Il = -Vin/R2；
如果取消掉的话：V1R2R4 = Vx(R2R4 - R1R3)，那么，在R4R2 = R1R3时，Vx等于无穷大了。我仿真的时候，等到的是上KV级的电压，甚至报错。
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根据虚断原理，Vin=VIN+;根据虚断原理，VIN+=VIN-=Vin=2.5V，当运放动态平衡后VIN-会稳定在2.5V，同理Ve=2.5V，根据Q1三极管的射极跟随，Vb=Ve+0.7V=2.5+0.7V=3.2V，即运放的Vout=3.3V。从上面的数据可得，Ve=2.5V，R3=5.1K，I=2.5V/5.1K=0.49mA=490uA.设计的目标值这里要达到1mA，根据Vin=VIN+=VIN-=5.1V，得Ve=5.1V，R3=5.1K，Q1的Ie=Ve/R3=5.1/5.1K=1mA，这样负载R4就可以实现1mA的恒流了。
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当R5继续增大，至运放接近饱和时，Vo'不再等于2Vin'，此时
R5继续增大，运放已经饱和了，电流进一步减小。
R5继续增大，电流继续减小。
注意最后两张图，电位器R5分别调至74%和100%时，两种状态下的Vo'值是一样，说明已经达到饱和状态。此时发现该运放有个缺点了，运放是9V供电，而饱和输出是7.5V，说明该运放不是轨到轨的，所以这里为什么一开始不将VCC设置为5V了，设置为5V很快就进入饱和，如果还想让电路保持恒流，可以将9V供电继续抬高。
抬高运放供电不是不可以，就会引入成本上的代价了，需要更高的电源来供电，输出电压Vo电平也被抬高，就很难与现在的TTL电平进行匹配了。
总结：
（1）理想状态下，分析出电流 Iout = Vin/ R6 。
（2）运放在线性区域时，理论值和实际值电流一致，精度高。
（3）在恒流前提下，电阻可调节的范围稍微大点。
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U1B部分是电流检测放大，电流从R1的上端流入，下端流出。这是一个差分放大电路减法运算电路，输出电压UA=(R5/R3)*(U1-U2)=U1-U2,UA即是电阻R1两端的电压差，若流过该电阻的电流为20mA，那么产生的电压=20*100=2000mV，还没有达到单片机的电压测量范围(此处默认单片机AD检测范围0～5V)。
为了高效的利用单片机AD量程，需要将电压信号进一步放大。
图中U1A组成减法电路，其输出电压=UA-UB。U1D组成跟随器，当电流信号4mA时，UA=4*100=400mV，U1A的输出此时为0V，这就需要UA=UB，调节U1D跟随器的正相输入端通过调节电位器RP2改变分压即可。这就完美解决了输入电流为4mA时输出电压为0V。
接下来要添加的是放大电路，将U1A的输出信号进行放大。如下图：
U1C的作用即是最终放大，那么在使用时，将输入电流设置为20mA时，调节RP1电位器，即调节电压放大倍数，直至输出电压为5V或其他量程的10V、15V，即可完成对量程的设置。
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调零：输入电流4mA时，调节调零电位器直至输出电压为0V。
调量程：输入电流20mA时，调节调量程电位器直至输出电压为目标量程电压。
供电电压：7-30V（若输出要到nV，供电电压必须大于(n+2)V，这是因为运放不是轨对轨型，最大输出值无法等于供电电压值）。
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图中运放LM324，此运放不是轨对轨的运放，那么运放的最低输出电压是不可能等于0V的，即便是轨对轨运放，最低输出还是会有mV级别的电压，那么我们将供电改为正负电源即可解决最低输出不为0V问题，所以利用ICL7660芯片产生-5V电压作为负电源。图中D1二极管起到防止电源反接的作用。
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该装置由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2脚输出的信号已足够强。IC3作电压比较器，它的第脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2脚输出的信号电压到达IC3的脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的脚由原来的高电平变为低电平。IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。当IC3的脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的脚变为低电平，它与IC4的脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。人体的红外线信号消失后，IC3的脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。
由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。该装置采用9～12V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C10滤波，检测电路采用IC5 78L06供电，交直流两用，自动无间断转换。
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IC1采用进口器件Q74，波长为9～10um。IC2采用运放LM358，具有高增益、低功耗。IC3、IC4为双电压比较器LM393，低功耗、低失调电压。其中C2、C5一定要用漏电极小的钽电容，否则调试会受到影响。R12是调整灵敏度的关键元件，应选用线性高精度密封型。其它元器件按电路图所示选择即可。
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制作时，在IC1传感器的端面前安装菲涅尔透镜，因为人体的活动频率范围为0.1～10Hz，需要用菲涅尔透镜对人体活动频率倍增。安装无误，接上电源进行调试，让一个人在探测器前方7～10m处走动，调整电路中的R12，使讯响器报警即可。其它部分只要元器件质量良好且焊接无误，几乎不用调试即可正常工作。本机静态工作电流约10mA，接通电源约1分钟后进入守候状态，只要有人进入监视区便会报警，人离开后约1分钟停止报警。如果将讯响器改为继电器驱动其它装置即作为其它控制用。
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单电源运算放大器完全是可以放大交流信号的，如果所谓的交流信号范围是0~VCC之间，也就是说没有负区间的，直接使用就可以了。
对于有负电压的交流信号怎么办呢？其实思路就是把交流信号抬高，负电压变为正电压。比如范围是-1V~1V的正弦波交流信号，叠加1V即可变为0V~2V的交流信号，这样就可以使用单电源运算放大器放大了。
因此，设计运算是放大器电路时，在运放输入端增加一个基准，这样就可以将交流信号抬高。
举例说明：使用单电源运放将峰峰值为-1到1V的正弦波交流信号放大，原理如下图所示，采用了同相加法器放大的原理，将交流信号叠加+1V电压。
假设输入交流信号为UIN，则输出UO=1/2×（UIN+1）×（1+R2/R1），改变R1和R2的阻值即可实现所需要的放大倍数。比如想要将交流电放大10倍，则运放的放大倍数应设为20，则1+R2/R1=20，R2/R1=19即选择R2和R1阻值的比值为19即可满足要求。注：当运放的放大倍数为1时，输出UO=（UIN+1）/2，其波形是缩小50%的。
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单电源运放工作时只能放大对地为正（同向输入）或为负（反向输入）的直流电压，若输入为对地的交流信号时，则只能放大正半波或负半波，另一半波会因为截止而产生严重失真。
为了得到不失真的交流放大信号，需要在输入端叠加一个偏置电压，一般为1/2 VCC。
若在运放的一端输入对地偏置1/2 VCC的信号，另一端接地，则在反向输入的情况下：理论输出为负，但在此情况下单电源运放的下限接近0V，因此输出电压也接近0V，严重失真；在正向输入的情况下：1/2 VCC的偏置电压也被放大，叠加上交流放大信号后很容易超过电源电压，而该部分将不被放大，导致信号严重失真，此种情况下，交流信号不能获得有效的放大倍数。
因此，在实际中，放大信号一端叠加偏置电压后，另一端也要叠加偏置电压，如上图反向输入Vout=12VCC−R2R1V1。
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Vout=12VCC+(R2R1+1)V1Vout=12VCC+(R2R1+1)V1
因为输出端叠加有直流偏置电压，需要加一个隔直电容虑除该直流分量。
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上图为高输入阻抗运放TL082构成的交流放大器。R2、R3为偏置电阻，它们组成分压电路，对电源电压进行分压。一般为不失真放大R2、R3取值应相同。对于直流信号来说，这个电路相当于放大倍数为1的电压跟随器，故运放A的输出端1脚的直流电压与其3脚的电压相等，皆为1/2电源电压。放大交流信号时，此信号就叠加达个1/2电源电压上波动，这样通过耦合电容C3后，加在负载上的电压即为放大了的交流电压。
上述交流放大器的输入电阻就是R1的阻值，其放大倍数为R4/R1，如图示数值其放大倍数为20。提升放大倍数不宜减少R1的阻值，否则其输入电阻将会降低。运放A换用LM358、LM741这类亦可。
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