1 惯性测量系统组成
在某惯性测量系统中，使用加速度计和光纤陀螺感测加速度和角速率信号，然后将感测到的加速度和角速率信号通过处理电路将电压信号转换为电流信号。据此设计了一种高精度、大电流、双向电压电流转换电路，并通过了系统应用验证。
2 指标要求
该处理电路要求将加速度计和光纤陀螺输出的电压信号转换为电流信号，实现正负电流的双向信号传输，电流测量范围要求达到±250mA，而且精度要求高，电路所在的惯性系统标度因数不对称性和标度因数相对偏差均小于500ppm，在-55°C～70°C全温范围内均能达到该指标要求。
3 电路设计
根据电路功能及指标要求，以Howland电路为基础，增加后级大功率运放电路组成复合运放电路，增强了Howland电路的局限性，实现了高精度、高驱动能力的电压电流转换。该电路具有普适性，可以广泛应用于工业领域，还可以根据要求变化做相应更改达到更广泛的应用。
Howland电路如图1所示，根据电路原理计算出输出电流IL应满足公式（1）。RL为负载电阻，RS为高端采样电阻，其阻值应尽量小一些，可保证其分压小；R2/R1为比例电阻，调节输出比例。输入信号可以是差分信号，也可以是单端信号（将另一端接地即可）。运放供电电压为双电源时，输出电流为正负双向电流；运放供电电压为单电源时，输出电流为单向电流。选用精密运放及高精度电阻，可以实现高精度的电压电流转换，精密运放的噪声小、失调电压和偏置电流小，具有较好的直流精度，但是精密运放普遍驱动能力较差、带宽和压摆率较低、交流特性不够好。如果在驱动能力要求不高时，如十几毫安，可以直接应用该电路实现，输出精度主要由运放的误差及电阻误差决定。运放的误差主要来自输入的失调电压和偏置电流，电阻的误差主要是R2/R1比例误差和RS的误差。
图1 Howland电路
在上述惯性系统应用时，Howland电路无法满足高的驱动能力。根据公式（1），要求高输出精度，RS、R2/R1必须为高精度、低温漂，这个比较容易达到；同时，运放要求高速、高压、高驱动能力和高精度，这样的运放很难找到。高驱动能力的运放一般压摆率大、带宽高，具有出色的交流特性，但是其噪声大、失调电压和偏置电流较大。因此，选择用一级高精密运放和一级高驱动能力运放组成复合放大电路，利用复合放大电路将精密运放和高驱动能力运放的优点结合起来，实现高精度的同时，又具有高驱动能力和出色的直流交流特性。电路原理如图2所示，输出电流公式如公式（1）所示，U1为精密运放，U2为高驱动运放，两种运放都很容易选择。复合放大电路的精度主要取决于U1，驱动能力主要取决于U2。
图2 复合放大电路
针对该惯性系统，U1选择低噪声、低失调电压、低偏置电流的精密运放AD4522，U2选择高输出电压、高输出电流、高压摆率的OPA547，输出电流±500mA。R2/R1电阻选用温漂为10 ppm/°C高精密比例电阻，RS为采样电阻，阻值要小，一般选择几个欧姆，该应用中选择5Ω。可以选择合适的电阻R5对OPA547输出进行限流。惯性系统中陀螺输出接上述复合放大电路进行电压电流转换，在全温（-55°C～70°C）范围内进行试验，惯性系统中陀螺的标度因数相对偏差和标度因数不对称性约为50ppm；测试结果为惯性系统整体标度因数相对偏差约为90ppm，标度因数不对称性约为70ppm，输出范围±300mA，满足使用要求。
复合放大电路应用时，可以根据实际需要选择后级功率运放，如输出电流要求1A可以选择输出电流1A以上的运放；如果输出电流很小，只有十几毫安或者几毫安，可以应用图一的Howland电路，更简单。需要注意几点。第一，要根据输出负载RL和输出电流范围计算出输出电压大小，合理选择采样电阻值，避免运放输出饱和。第二，选择运放时要详细查看其数据手册中输入输出电压范围，要与最大输出电压匹配。第三，采样电阻RS和比例电阻R2/R1必须选择精密电阻。第四，选择合适的比例R2/R1，并仔细阅读运放数据手册，避免比例过小导致运放出现振荡。第五，当功率运放U2输出电流较大时需要对其采取适当的散热措施。第六，根据需要对运放增加滤波。
4 结论
通过复合放大技术，将高驱动和高精度运放相结合，使得电路同时具有了两者的优点，该电路具有较高的压摆率和带宽，精度高、驱动力强，具有出色的直流和交流特性；同时，该电路是高侧输出，具有很好的适应性，可以根据需要对该电路进行裁剪，降低成本。电路可以实现双向或单相输出，便于工程应用。该电路已经过多种产品的工程应用实践，性能稳定，可以广泛使用。
李波，男，汉族，籍贯：河北省石家庄市，1988年9月出生，本科学历，工程师，研究方向：陀螺、电路设计、电磁兼容
陈少华，男，汉族，甘肃临洮，1992.10，硕士研究生，工程师，研究方向：计算机应用技术、机载计算机技术
